Физик Эмиль Ахмедов о действии гравитации на электромагнитные волны, информационном парадоксе черных дыр и принципе предсказуемости в науке
Информационный парадокс Хокинга — это потеря информации в результате формирования, излучения и распада черных дыр. Я принадлежу к той части научного сообщества, которая не считает, что этот парадокс существует, однако отношусь спокойно к тому, что есть люди, которые в него верят. Во-первых, когда проблема еще не решена и не все досконально понято, могут быть разные точки зрения на суть явления. Во-вторых, для людей, которые верят в парадокс Хокинга, его наличие является путеводной звездой, которая направляет их мысли и действия. Я попробую объяснить, почему бо́льшая часть научного сообщества, занимающаяся физикой черных дыр, верит в то, что информационный парадокс Хокинга действительно существует.
Что такое электромагнитная волна? Это волна электромагнитного поля, которая описывает какое-то изменение во времени электромагнитного поля. Радиоволны — это волны очень большой длины. Если мы начнем уменьшать длину и увеличивать частоту электромагнитной волны, то перейдем в спектр инфракрасного излучения. Если мы еще уменьшим длину волны и увеличим частоту, то попадем в видимый спектр. Если пойдем дальше — получим ультрафиолет, если еще дальше — рентгеновское излучение, а затем гамма-излучение. Все это разновидности электромагнитных волн.
В гравитационном поле наблюдается следующий эффект. Если мы поместим источник электромагнитной волны на поверхность Земли, излучим электромагнитную волну вертикально вверх, то она будет действовать против гравитационного поля Земли, соответственно, ее энергия будет уменьшаться. Как известно, энергия фотонов или цугов электромагнитных волн прямо пропорциональна частоте. При уменьшении энергии уменьшается частота. Если красное электромагнитное излучение действует от поверхности Земли в видимом спектре, то далеко от Земли мы можем наблюдать волну в инфракрасном диапазоне.
Теперь рассмотрим не Землю, а массивное и компактное гравитационное тело. На поверхности такого тела гравитация будет сильнее, чем на Земле. Соответственно, эффект инфракрасного смещения (эффект уменьшения частоты по мере поднятия электромагнитной волны от поверхности) будет сильнее, чем на Земле. Чем меньше объект и чем больше его масса, тем больше эффект смещения. Черная дыра является экстремумом этой ситуации. Если мы создаем электромагнитную волну на горизонте черной дыры, то на любом расстоянии от горизонта черной дыры мы увидим неменяющееся во времени поле. Происходит бесконечное инфракрасное смещение. Это свойства горизонта черной дыры. То же самое актуально и для гравитационного излучения. Если внутри горизонта черной дыры происходит безумное движение электрически заряженных частиц или масс, то снаружи мы все равно видим статическое гравитационное и электромагнитное поле. Когда происходит коллапс звезды в черную дыру, излучается все, что может излучиться. В конечном итоге черная дыра не несет меняющихся во времени электромагнитных и гравитационных полей. Известно, что электрический заряд, гравитационная масса и момент вращения создают статические гравитационные и электромагнитные поля.
Представим, что у нас есть однородно заряженная идеальная сферическая оболочка. Если эта сферическая оболочка начнет «дышать», сохраняя сферическую симметрию и однородность заряда, такая сферическая оболочка не будет излучать электромагнитных волн, несмотря на то что заряд при таком движении движется с ускорением. Понять, почему так происходит, очень просто: такая оболочка независимо от размера своего радиуса создает такое же электромагнитное поле, как точечный заряд, находящийся ровно в ее центре. Эта ситуация аналогична и для гравитации. Людям, занимающимся радиолокацией, такое явление косвенно известно. Они знают, что нельзя создать идеальную сферически симметричную антенну. Итак, черная дыра в результате своего формирования в состоянии покоя не может создавать переменных во времени гравитационных и электромагнитных полей. Она может создавать только стационарные поля. Они характеризуются тремя величинами: электрическим зарядом, массой и угловым моментом вращения.
Представим себе, что мы начнем образовывать черную дыру в результате сжатия «роя» стульев и телевизоров. Если две получившиеся черные дыры имеют одинаковые электрические заряды, массы и моменты вращения, они неотличимые, несмотря на то что мы их создали из разных исходных материалов. Если бы мы создали две звезды из «роя» стульев и «роя» телевизоров, то, обладая техническими и интеллектуальными способностями, мы могли бы рассмотреть поведение каждого отдельного атома, который входит в состав стула и телевизора. Мы могли бы восстановить историю жизни каждого атома, который когда-либо входил в эту звезду до ее распада. После формирования черной дыры мы, напротив, не можем проследить историю атомов. Согласно эффекту Хокинга черная дыра распадается, причем не просто распадается, а излучает при этом все частицы в соответствии с температурным распределением. Это распределение не несет никаких других характеристик кроме энергии излучаемых частиц. Нейтрон той же энергии и фотон той же энергии излучаются с одинаковой вероятностью. Излучение черной дыры не несет никакой информации о ее составе. Если верить в наличие излучения Хокинга, черная дыра формируется, результат ее формирования не несет никакой информации о ее составе, излучение черной дыры не несет никакой информации. В результате излучения черная дыра уменьшается, теряет энергию и в конце концов должна пропасть. Это и есть информационный парадокс Хокинга.
Почему это плохо? Это плохо потому, что мы теряем предсказуемость фундаментальной физики. Как устроена фундаментальная физика? Если мы говорим, что будем действовать определенным образом, мы получим определенный результат. Если мы рассеиваем частицы на ускорителе, то в результате столкновения будет рождаться что-то с определенной вероятностью. Мы можем проверить теорию экспериментом. Это и есть предсказательная сила. Наличие черной дыры уменьшает предсказательную силу науки. Представим, что ускоритель находится не на Земле, а где-то недалеко от черной дыры. Результат такого эксперимента «улетит» в черную дыру, и информация об этом эксперименте, кроме трех характеристик, будет полностью потеряна. Это катастрофические последствия информационного парадокса для современной науки. Но информационный парадокс Хокинга с такой же вероятностью можно и опровергнуть, однако в коротком ролике невозможно успеть это сделать.
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова, доцент кафедры теоретической физики МФТИ, доцент факультета математики НИУ ВШЭ
