Hawking's black hole paradox explained - Fabio Pacucci

Переводчик: Ростислав Голод Редактор: Антон Замараев

Scientists work on the boundaries of the unknown,

Учёные работают на грани неизведанного,

where every new piece of knowledge forms a path into a void of uncertainty.

где каждое новое знание прокладывает дорогу в пустоту неопределённости.

And nothing is more uncertain–

И нет ничего менее определённого —

or potentially enlightening– than a paradox.

и потенциально более революционного, — чем парадокс.

Throughout history,

За всю историю науки

paradoxes have threatened to undermine everything we know,

парадоксы не только не раз сотрясали устои сложившейся системы знаний,

and just as often, they’ve reshaped our understanding of the world.

но и заставляли пересматривать понимание существующей картины мира.

Today, one of the biggest paradoxes in the universe

Сегодня один из главнейших парадоксов во Вселенной,

threatens to unravel the fields of general relativity and quantum mechanics:

грозящий подорвать основы общей теории относительности и квантовой механики, —

the black hole information paradox.

это парадокс исчезновения информации в чёрной дыре.

To understand this paradox,

Чтобы понять этот парадокс,

we first need to define what we mean by "information."

нам прежде всего необходимо определиться с понятием «информация».

Typically, the information we talk about is visible to the naked eye.

Обычно под информацией мы понимаем нечто видимое невооружённым глазом.

For example,

Например,

this kind of information tells us that an apple is red, round, and shiny.

подобного рода информация говорит нам, что яблоко красное, круглое и блестит.

But physicists are more concerned with quantum information.

Но физиков больше интересует квантовая информация,

This refers to the quantum properties of all the particles that make up that apple,

имеющая отношение к квантовым свойствам всех частиц, из которых состоит яблоко,

such as their position, velocity and spin.

в частности их положение, скорость и вращение.

Every object in the universe is composed

Каждое небесное тело во Вселенной

of particles with unique quantum properties.

состоит из частиц с присущими им квантовыми свойствами.

This idea is evoked most significantly in a vital law of physics:

Всё вытекает главным образом из фундаментального закона физики:

the total amount of quantum information in the Universe must be conserved.

общее количество квантовой информации во Вселенной не меняется.

Even if you destroy an object beyond recognition,

Даже если разрушить объект до неузнаваемости,

its quantum information is never permanently deleted.

его квантовая информация полностью не исчезнет.

And theoretically, knowledge of that information

И в теории, обладая этой информацией,

would allow us to recreate the object from its particle components.

мы сможем воссоздать объект из составляющих его частей.

Conservation of information isn’t just an arbitrary rule,

Сохранение информации вовсе не является абстрактным умозаключением,

but a mathematical necessity, upon which much of modern science is built.

а необходимо математически, и на этом законе строится современная наука.

But around black holes, those foundations get shaken.

Но по мере приближения к чёрной дыре все эти научные основы рушатся.

When an apple enters a black hole,

Если яблоко попадёт в чёрную дыру,

it seems as though it leaves the universe,

то будет казаться, что оно покинуло Вселенную

and all its quantum information becomes irretrievably lost.

и что вся его квантовая информация необратимо утеряна.

However, this doesn’t immediately break the laws of physics.

Однако это ещё не является нарушением законов физики.

The information is out of sight,

Хотя информация и больше не видна,

but it might still exist within the black hole’s mysterious void.

она может по-прежнему существовать в загадочной пустоте чёрной дыры.

Alternatively, some theories suggest

Однако в некоторых теориях высказывается предположение,

that information doesn’t even make it inside the black hole at all.

что информация даже не достигает чёрной дыры.

Seen from outside, it’s as if the apple’s quantum information

При взгляде извне будет казаться, будто квантовая информация яблока

is encoded on the surface layer of the black hole, called the event horizon.

кодируется на поверхности чёрной дыры, называемой горизонтом событий.

As the black hole’s mass increases,

По мере роста массы чёрной дыры,

the surface of the event horizon increases as well.

поверхность горизонта событий также увеличивается.

So it’s possible that as a black hole swallows an object,

Поэтому, возможно, что при поглощении объекта чёрной дырой

it also grows large enough to conserve the object’s quantum information.

она так сильно увеличивается для того, чтобы сохранить его квантовую информацию.

But whether information is conserved inside the black hole or on its surface,

Но где бы ни сохранялась информация — внутри или на поверхности чёрной дыры, —

the laws of physics remain intact–

существующие законы физики не нарушаются,

until you account for Hawking Radiation.

но только если не принимать во внимание излучение Хокинга.

Discovered by Stephen Hawking in 1974,

В 1974 году Стивен Хокинг выдвинул гипотезу,

this phenomenon shows that black holes are gradually evaporating.

что благодаря этому явлению чёрные дыры постепенно испаряются.

Over incredibly long periods of time

В течение очень длительного времени

black holes lose mass as they shed particles away from their event horizons.

чёрные дыры теряют массу из-за излучения частиц на горизонте событий.

Critically, it seems as though the evaporating particles

Крайне важно, что испаряющиеся частицы

are unrelated to the information the black hole encodes–

никак не связаны с информацией, которая хранится закодированной в чёрной дыре,

suggesting that a black hole and all the quantum information it contains

из чего следует, что в чёрной дыре, скорее всего, полностью стирается

could be completely erased.

хранящаяся в ней информация.

Does that quantum information truly disappear?

Но действительно ли квантовая информация исчезает?

If not, where does it go?

И если нет, то где она хранится?

While the evaporation process would take an incredibly long time,

Процесс испарения занимает исключительно долгое время,

the questions it raises for physics are far more urgent.

однако ответы на возникающие в связи с ним вопросы физикам нужны прямо сейчас.

The destruction of information

Разрушение информации

would force us to rewrite some of our most fundamental scientific paradigms.

заставит нас пересмотреть некоторые фундаментальные научные парадигмы.

But fortunately, in science,

Но к счастью, с каждым парадоксом

every paradox is an opportunity for new discoveries.

в науке открываются возможности для новых открытий.

Researchers are investigating a broad range of possible solutions

Учёные изучают широкий спектр возможных решений

to the Information Paradox.

парадокса исчезновения информации в чёрной дыре.

Some have theorized

Согласно некоторым теориям,

that information actually is encoded in the escaping radiation,

информация в испаряющемся излучении содержится в неком закодированном виде,

in some way we can’t yet understand.

который мы пока не можем понять.

Others have suggested the paradox is just a misunderstanding

Другие считают, что парадокс является неверным представлением

of how general relativity and quantum field theory interact.

взаимодействия общей теории относительности и квантовой теории поля.

Respectively,

Поскольку эти две теории описывают

these two theories describe the largest and smallest physical phenomena,

соответственно явления самых больших и самых малых масштабов во Вселенной,

and they’re notoriously difficult to combine.

их очень сложно объединить.

Some researchers argue that a solution to this and many other paradoxes

Некоторые учёные считают, что решением этого и многих других парадоксов

will come naturally with a “unified theory of everything.”

могла бы стать некая объединённая «теория всего».

But perhaps the most mind-bending theory to come from exploring this paradox

Однако наиболее умопомрачительная теория, возникшая в ходе изучения парадокса, —

is the holographic principle.

это голографический принцип.

Expanding on the idea that the 2D surface of an event horizon

Построенный на идее, что двухмерная поверхность горизонта событий

can store quantum information,

способна хранить квантовую информацию,

this principle suggests that the very boundary of the observable universe

данный принцип предполагает, что граница видимой Вселенной

is also a 2D surface encoded with information

сама является двухмерной поверхностью, содержащей закодированную информацию

about real, 3D objects.

о настоящих, трёхмерных астрономических объектах.

If this is true, it’s possible that reality as we know it

Если это окажется правдой, то весьма возможно, что известная нам реальность

is just a holographic projection of that information.

является лишь голографической проекцией этой информации.

If proven, any of these theories would open up new questions to explore,

Если любая из этих теорий будет доказана, возникнут новые вопросы,

while still preserving our current models of the universe.

однако существующие модели Вселенной останутся неизменными.

But it’s also possible that those models are wrong!

Но может оказаться, что все эти модели ошибочны!

Either way, this paradox has already helped us take another step

Как бы то ни было, этот парадокс уже позволил нам сделать новый шаг

into the unknown.

навстречу неизведанному.