#чтиво | Можно ли узнать, чем питалась черная дыра?

Черные дыры заслуженно имеют ужасную репутацию. Если вы уроните ключи в нее, забудьте о них, их уже не вернуть. Но действительно ли все обстоит настолько плохо? Может ли черная дыра «помнить», что съела? Является ли информация — физической?

Чтобы ответить на вопрос, нам потребуется немного разжевать, что такое черная дыра. Хоть мы не раз говорили о них, и о всяких разных.

Черные дыры и энтропия

Черные дыры — или как минимум не вращающиеся их виды — невероятно простые объекты. У них есть точка невозврата, так называемый горизонт событий, непостижимая сингулярность в центре, и собственно это вся структура. Если вы отправите своего робота-компаньона исследовать черную дыру, и он хотя бы на миг упадет за горизонт событий, он уже не вернется. Вспомните, мы рассматривали случай: можно ли передать информацию оттуда, из-за горизонта? — и пришли к весьма интересным выводам. Ничто не может покинуть черную дыру — это что-то вроде закона.

Но раз уж мы злоупотребляем аналогиями, «вы — то, что вы едите». Изучив вашу кровь, жизненно важные органы и, хм, объедки, врач сможет уверенно сказать, что двигалось вниз по вашему пищеводу.

Можно ли сказать то же самое о черной дыре? Можем ли мы сказать, что упало, изучив гравитационное поле?

Согласно общей теории относительности, есть только три числа, которых достаточно, чтобы описать черную дыру полностью: ее масса, электрический заряд и угловой момент. В большинстве случаев важен только первый параметр.

Чтобы восстановить робота, понадобится более трех чисел. С одной стороны, черные дыры конечны в универсальном упрощении. Вы кладете в нее объект — и пуф! — вне зависимости от сложности объекта, он исчезает. На первый взгляд, кажется, что здесь второй закон термодинамики дал слабину.

Не так давно мы долго рассуждали о том, что такое энтропия. Суть второго закона: энтропия — мера беспорядочности Вселенной — постоянно возрастает с течением времени. Но судя по всему, черные дыры плевать хотели на второй закон. Глядя на всю эту термодинамику, черные дыры максимально холодны — абсолютный ноль — что означает, что они вообще не обладают энтропией (и, кстати, будут жить вечно).

К счастью (по крайней мере, для наших гипотетических отношений с роботом, которого мы закинули в черную дыру в начале вопроса), черные дыры дают дискуссии развернуться. Фундаментальная случайность вселенной превращает горизонт событий в невероятно интересное место. Но чтобы понять, как именно, давайте углубимся в мир информации.

Энтропия и информация

В 1948 году Клод Шеннон, ученый из Bell Labs, основал род исследований, известных как теория информации. Так же, как квантовая механика сделала все современное вычисление физически возможным, теория информации произвела революцию в криптографии и связи, а также помогла создать такую вещь, как Интернет.

Одним из основных открытий теории информации является то, что информация и энтропия тесно связаны. Так же, как энтропия газа описывает число разных путей, которыми атомы могут подменять друг друга, информация сигнала описывает число различных сообщений, которые могут быть переданы.

Предположим, я отослал сообщение длиной в два символа. В принципе, я мог бы послал 26 x 26 = 676 разных сообщений, но большинство из этих комбинаций букв были бы абсолютно бессмысленными. Для ученых специалистов это означает, что хотя в теории вам потребуется около 10 битов (1 и 0, которые используются для хранения данных), чтобы различить все возможные комбинации из двух букв, если вы знаете, что передаете слово, вам понадобится всего 7 бит. Экономия.

Передачу данных можно существенно сократить, заметив, что некоторые буквы используются реже, чем другие. К примеру, в английском E используется чаще, чем Z. Если вы играете в американскую «Балду», появление буквы Z на поле боя существенно уменьшает количество возможных вариантов. Поэтому, к примеру, по азбуке Морзе E это:

.

в то время, как Z:

– – . .

Набор Z занимает гораздо больше времени, но это нормально, поскольку вам придется делать это реже. Чем сложнее (или маловероятнее сообщение), тем больше информации оно несет, и тем больше байт данных понадобится для хранения на компьютере.

Есть вполне определенные конфигурации памяти, которые более специальны, чем другие. Как и в случае с «Балдой», мы могли бы признать, что большинство комбинаций 1 и 0 просто мусор, но даже в этом случае, вытягивая из мешка плитки с буквами (в американской игре Scrabble, например), мы можем случайно составить слово. Проблема в том, что случайно сгенерированное слово будет выглядеть так же, словно его намеренно составил игрок.

Если вы обнаружили диск с большим количеством случайно расположенных единиц и нулей, вполне разумно предположить, что все эти биты представляют реальные данные, которые хранятся на диске. Другими словами, мы предполагаем, что все сложные узоры, зашифрованные в нашем мозгу, на доске «Балды» или «скрэббла», или физики вселенной — это точное отражение того, что на самом деле происходило в прошлом.

Информация и энтропия — не одно и то же, хотя математически они выглядят очень похоже. Во многом они противоположны. Система с очень высокой энтропией содержит очень мало информации, потому что мы почти ничего о ней не знаем. С другой стороны, систему с высокой энтропией можно рассматривать как устройство с возможностью хранения большого количества информации, если только вы не собираетесь смотреть на нее вблизи.

Черные дыры испаряются

Черная дыра во всех цветах радуги. Вся галерея.

Все это подводит нас к черным дырам, и мы можем вернуться к первоначальному вопросу. Если черные дыры не содержат информацию, как они могут помнить, что упало в них?

В 1974 году Стивен Хокинг понял, что черные дыры должны излучать в космос. Почему? Потому что космический вакуум постоянно наводняется рождающимися частицами и античастицами, и некоторые поглощаются черной дырой, а некоторые ускользают, заставляя черную дыру очень слабо светиться.

Есть несколько больших различий между «классическими» черными дырами (как их понимал Эйнштейн) и «квантовыми» черными дырами (дополненными Хокингом).

С одной стороны, классические черные дыры живут вечно, поэтому информация, которая заключена внутри, не представляет проблему (что попадает внутрь, остается внутри). Кроме того, классическим черным дырам (как мы отмечали выше) хватает трех чисел для характеристики.

Но как только вы представите вещи в формулировках квантовой механики, все станет куда интереснее. С одной стороны, квантовые черные дыры излучают (и в конечном итоге испаряются), что позволяет нам скрепя сердце сказать, что у них есть какое-нибудь количество тепла. Тепло — это хлеб с маслом термодинамики, а вместе с ней появляется и возможность кодировать информацию.

Черные дыры обладают огромным количеством энтропии. Чтобы осознать масштаб проблемы, на поверхности одной сверхмассивной черной дыры (как в центре нашей галактики) столько же энтропии, сколько было во всей наблюдаемой Вселенной в начале времен. Все эти возможные «микросостояния» несут потенциал для хранения огромных объемов информации. Стоит, однако, отметить, что пока совсем неясно, как можно расшифровать информацию на поверхности черной дыры.

Более того, если черные дыры в конечном счете (на протяжении квадриллионов лет) испарятся, не означает ли это, что излучение, которое они посылают во Вселенную, достаточно для восстановления нашего друга-робота?

Вполне может быть, и это не преувеличение. Но чтобы понять, как работают квантовая механика и черные дыры на фундаментальном уровне, нам нужна теория квантовой гравитации, которой пока нет, к сожалению. Что, в принципе, не мешает нам рассуждать. Сам Стивен Хокинг сказал:

«Если вы прыгнете в черную дыру, энергия вашей массы вернется в нашу вселенную, но в искаженной форме, которая содержит информацию о том, чем вы были, но в состоянии сложной распознаваемости. Это как сжечь энциклопедию. Информация не исчезает, если остается дым и пепел. Но их трудно читать. На практике, было бы слишком сложно заново воссоздать такой макроскопический объект, как энциклопедия, которая упала в черную дыру, из информации излучения, но результат сохранения информации важен для микроскопических процессов с участием виртуальных черных дыр».

То есть теоретически через сотню тысяч лет вполне может появится возможность расшифровывать информацию такого рода (и восстанавливать людей, упавших в черную дыру). Но хватит ли людям будущего терпения на такой долгий и нудный процесс? Это уже не наше дело.

Кроме того, может быть это будут и не люди, а те, кому терпения хватает завсегда. Не хватает только питания.