Вселенная — удивительное и странное место, наполненное необъяснимыми явлениями. Одно из таких явлений — информационный парадокс черных дыр, — кажется, нарушает основополагающий физический закон.

Горизонт событий черной дыры считается последним рубежом: попав за его пределы, ничто не может покинуть черную дыру, даже свет. Но касается ли это информации как таковой? Будет ли она навсегда утеряна в черной дыре, как и все остальное?

Прежде всего, надо понять, что информационный парадокс черных дыр не связан с тем, как мы привыкли воспринимать информацию. Когда мы думаем о напечатанных в книге словах, количестве битов и байтов в компьютерном файле или конфигурациях и квантовых свойствах составляющих систему частиц, мы думаем об информации как о полном комплекте всего необходимого для воссоздания чего бы то ни было с нуля.

Однако такое традиционное определение информации не является непосредственным физическим свойством, которое можно измерить или вычислить, как, например, это можно сделать с температурой. К счастью для нас, существует физическое свойство, которое мы можем определить как эквивалентное информации, — энтропия. Вместо того чтобы считать энтропию мерой беспорядка, о ней следует размышлять как о «недостающей» информации, необходимой для определения конкретного микросостояния какой-либо системы.

При поглощении массы черной дырой, количество энтропии вещества определено его физическими свойствами. Однако внутри черной дыры значение имеют только такие свойства, как масса, заряд и угловой момент. Для сохранения второго закона термодинамики это представляет серьезную проблему / © NASA/CXC/M.WEISS

Во Вселенной есть определенные правила, которым должна следовать энтропия. Второй закон термодинамики можно назвать самым нерушимым из них: возьмите любую систему, не позволяйте ничему в нее попасть или выйти из нее — и ее энтропия никогда внезапно не уменьшится.

Разбитое яйцо не собирается обратно в скорлупу, теплая вода никогда не разделяется на горячую и холодную части, а пепел никогда не собирается в форму объекта, которым он был до того, как сгорел. Все это было бы примером уменьшающейся энтропии, и, очевидно, ничего такого в природе не происходит само по себе. Энтропия может оставаться одинаковой и увеличиваться при большинстве обстоятельств, но она никогда не может вернуться в более низкое состояние.

Единственный способ искусственно уменьшить энтропию — ввести в систему энергию, тем самым «обманув» второй закон термодинамики, увеличивая внешнюю по отношению к этой системе энтропию на большее значение, чем она уменьшается в этой системе. Уборка в доме — отличный пример. Другими словами, от энтропии невозможно избавиться.

Так что же происходит, когда черная дыра кормится веществом? Давайте представим, что мы бросили книгу в черную дыру. Единственные свойства, которые мы можем приписать черной дыре, довольно прозаичны: масса, заряд и угловой момент. Книга содержит информацию, но, когда вы кидаете ее в черную дыру, она только увеличивает ее массу. Изначально, когда ученые начали изучать эту проблему, считалось, что энтропия черной дыры равна нулю. Но если бы это было так, попадание чего-либо в черную дыру всегда нарушало бы второй закон термодинамики. Что, конечно, невозможно.

Масса черной дыры – единственный определяющий фактор радиуса горизонта событий для невращающейся, изолированной черной дыры. В течение долгого времени считалось, что черные дыры – это статичные объекты в пространстве-времени Вселенной / © SXS Team/Bohn et. al.

Но как вычислить энтропию черной дыры?

Эту идею можно проследить до Джона Уилера, размышлявшего о том, что происходит с объектом при падении в черную дыру с точки зрения наблюдателя вдалеке от горизонта событий. С большого расстояния нам бы казалось, что падающий в черную дыру человек асимптотически приближается к горизонту событий, все больше и больше краснея из-за гравитационного красного смещения и бесконечно долго двигаясь по направлению к горизонту из-за эффекта релятивистского замедления времени. Таким образом, информация от чего-либо, упавшего в черную дыру, осталась бы «зашифрованной» на ее поверхности.

Это элегантно решает проблему и звучит разумно. Когда что-то падает в черную дыру, ее масса увеличивается. При увеличении массы увеличивается и ее радиус, а значит, и площадь поверхности. Чем больше площадь поверхности, тем больше информации можно зашифровать.

Это означает, что энтропия черной дыры вовсе не нулевая, а как раз наоборот — огромная.

Несмотря на то что горизонт событий относительно мал по сравнению с размерами Вселенной, количество пространства, необходимое для записи одного квантового бита, мало, а значит, на поверхности черной дыры можно записать невероятные объемы информации. Энтропия увеличивается, информация сохраняется, а законы термодинамики сохраняются. Можно расходиться, так?

На поверхности черной дыры могут быть закодированы биты информации, пропорциональной площади поверхности горизонта событий / © T.B. Bakker/Dr. J.P. Van Der Scharr/Universiteit Van Amsterdam

Не совсем. Дело в том, что, если черные дыры обладают энтропией, у них должна быть и температура. Как и в случае с любым другим объектом с температурой, от них должно исходить излучение.

Как продемонстрировал Стивен Хокинг, черные дыры испускают излучение в определенном спектре (спектр абсолютно черного тела) и на конкретной температуре, определенной массой черной дыры. Со временем это излучение энергии приводит к потере черной дырой ее массы, согласно известному уравнению Эйнштейна: E=mc^2. Если энергия испускается, она должна откуда-то исходить, а это «где-то» должно быть самой черной дырой. Со временем черная дыра будет терять свою массу быстрее и быстрее и в один момент — в далеком будущем — она полностью испарится в яркой вспышке света.

Но если черная дыра испаряется в излучении абсолютно черного тела, определенном только ее массой, что же происходит со всей информацией и энтропией, записанной на ее горизонте событий? Ведь нельзя просто уничтожить эту информацию?

Это корень информационного парадокса черных дыр. Черная дыра должна обладать высокой энтропией, включающей в себя всю информацию о том, что ее создало. Информация о падающих в нее объектах записывается на поверхности горизонта событий. Но при распаде черной дыры посредством излучения Хокинга горизонт событий исчезает, оставляя за собой только излучение. Это излучение, как предполагают ученые, зависит только от массы черной дыры.

Представим, что у нас есть две книги — об абсолютной бессмыслице и «Граф Монте-Кристо», — содержащие разные объемы информации, но идентичные по массе. Мы кидаем их в идентичные черные дыры, от которых ожидаем получить эквивалентное излучение Хокинга. Для стороннего наблюдателя все выглядит так, будто информация уничтожается, а учитывая то, что мы знаем об энтропии, это невозможно, так как нарушило бы второй закон термодинамики.

Если мы сожжем эти две книги одинакового размера, то вариации молекулярных структур, порядок букв на бумаге и другие мелкие различия содержали бы в себе информацию, при помощи которой мы могли восстановить информацию в книгах. Она может прийти в полный беспорядок, но сама по себе никуда не денется. Тем не менее информационный парадокс черных дыр представляет собой реальную проблему. Как только черная дыра испаряется, от этой изначальной информации не остается ни следа в наблюдаемой Вселенной.

Возможно, решения этого парадокса пока нет и он представляет серьезную проблему для физики. Тем не менее есть два варианта его возможного решения:

1. Информация полностью уничтожается при испарении черной дыры, а значит, с этим процессом связаны новые физические законы.

2. Испускаемое излучение каким-то образом содержит в себе эту информацию, следовательно, излучение Хокинга представляет собой нечто большее, чем известно науке.

Большинство людей, работающих над этой проблемой, считают, что должен существовать некий способ, при помощи которого сохраненная на поверхности черной дыры информация «отпечатывается» в исходящем излучении. Однако никто пока не знает, как именно это происходит. Возможно, информация на поверхности черной дыры вносит квантовые поправки в исключительно тепловое состояние излучения Хокинга? Может быть, но это пока не доказано. На сегодня есть множество гипотетических решений этого парадокса, но ни одно из них еще не было подтверждено.

Информационный парадокс черных дыр не зависит от того, является ли природа квантовой Вселенной детерминистической или недетерминистической, какую квантовую интерпретацию вы предпочитаете, существуют ли скрытые переменные и множества других аспектов природы реальности. И хотя многие предложенные решения включают голографический принцип, пока не известно, играет ли он какую-то роль в итоговом решении парадокса.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– Живем ли мы в голограмме;

– Авиация и бронетехника: о российском присутствии в Сирии;

– Пещеры всех людей.

Теперь, когда вы познакомились с физическим вакуумом и несколькими его эффектами, давайте подумаем, как можно использовать их для передачи энергии на более дальние расстояния, чем это позволяет эффект Казимира, и без значительных потерь энергии вследствие рассеяния квантов электромагнитного излучения, как при обычном спонтанном излучении.

В квантовой физике существует особая количественная величина, называемая квантовой информацией. Мерой количества квантовой информации называют энтропию фон Неймана. Энтропия непосредственно связывает информацию с энергией. Информация в терминах энтропии фон Неймана позволяет описывать запутанные состояния. Одна из основных особенностей этого понятия состоит в том, что об объекте, находящемся в запутанном состоянии, невозможно получить никакой информации.

Квантовая теория способна описывать как переходы объекта из состояния с меньшей плотностью энергии в более плотное состояние, так и обратный процесс – переход в менее плотное энергетическое состояние.

При измерении квантовой информации происходит переход квантовой системы в одно из чистых (строго определенных) состояний, однако на измерение обязательно затрачивается энергия. Обратный процесс перехода из чистого состояния в смешанное приводит к переходу из состояния с низкой энергией в состояние с более высокой энергией.

Возможно даже разделить информацию одной частицы на две части, к примеру, информацию о вертикальной и горизонтальной поляризации фотона, в результате получив из одного фотона целых два (эффект спонтанного параметрического рассеяния).

В качестве примера рассмотрим состояние двух квантово запутанных атомов А и Б.

Алиса (частица А) по классическому каналу связи передаёт Бобу (частице Б) информацию о том, что ему нужно извлечь энергию из вакуума.

Поскольку близлежащие точки в квантовом вакууме являются квантово запутанными, а состояние Алисы и Боба коррелирует друг с другом, то Алиса способна измерить “своё” локальное поле в физическом вакууме и использовать результаты этих вычислений, чтобы получить информацию о локальном поле Боба. Затем, если эта информация будет послана Бобу по классическому каналу связи, он сможет использовать её для разработки стратегии извлечения энергии из своего локального поля. При этом энергия, которую он добудет из вакуума, всегда будет меньше той, которую Алиса потратила на проведение первоначальных измерений. То есть закон сохранения энергии не нарушается, а Алиса может “телепортировать” энергию Бобу в форме данных, которые затем позволят ему извлекать энергию из вакуума.

Однако степень квантовой запутанности между локальными полями Боба и Алисы быстро снижается с ростом дистанции между ними, из-за чего КПД падает пропорционально шестой степени от расстояния. Но есть обходной путь решения этой проблемы - сжатые вакуумные состояния

пардон, не на картинка

Здесь пригодится квантовый эффект Холла, возникающий в тонких пластинах полупроводников, на которые воздействуют сильным магнитным полем. Тогда электроны в них текут беспрепятственно в одном направлении вдоль края такого двумерного полупроводникового листа (топологический сверхпроводник), что позволяет получить канал квантовой корреляции, где имеет место квантовая запутанность.

Ссылка на публикацию работы под руководством Масахиро Хотта https://arxiv.org/abs/1305.3955

Безусловно, передача квантовых состояний через топологические сверхпроводники пригодится для дальнейших исследований эффекта.

С другой стороны, все еще очень далеко от ожиданий передачи значительных объемов энергии через межпланетный оптический канал квантовой связи. Но подобные сжатые состояния наблюдаются также в многочисленных экспериментах по двухволновому смешению на фемтосекундных лазерах.

Сжатое по фазе состояние света позволит увеличить соотношение сигнал/шум в оптических каналах квантовой связи, поскольку при прохождении через вещество (например, дефекты в оптоволокне или космическая пыль), проходящая волна утрачивает часть своей энергии на различные процессы, и амплитуда электрической составляющей уменьшается. В то же время, волновой вектор, направление которого перпендикулярно фазовому фронту бегущей волны, сохранит линейную поляризацию, позволяя сохранить запутанность, а значит и не потерять КПД процесса, если не будет полной потери фотона.

Но возможно ли использовать лишь фазу света для передачи информации?

Теоретическую реализацию подобного протокола впервые выдвинул ученый из Саудовской Аравии Хатим Салих, выпускник Кембриджского университета.

https://arxiv.org/abs/1206.2042

А реализовали на практике эту схему ученые Научно-технического университета Китая, которым удалось передать картинку, впервые достигнув прямой контрфактической передачи данных без перемещения энергии частиц. Для передачи информации не использовалась передача энергии фотонов посредством изменения амплитуды, использовалась лишь информация, закодированная в фазе колебаний волны. Для этого использовали квантовый эффект Зенона и метод непрямого измерения квантового состояния.

https://phys.org/news/2017-05-counterfactual-quantum.html

Пока эти эксперименты идут на переднем крае науки, предстоит еще немало теоретической и практической работы, прежде чем мы научимся использовать их для создания квантовых каналов с высокой степенью когеренции без значительных энергетических потерь при увеличении расстояния.

Передача энергии – не единственная потенциальная область применения энергии вакуума при достаточном технологическом развитии цивилизации. Стоит еще раз упомянуть Масахиро Хотта, который также показывает теоретическую возможность использования контролируемого процесса Хокинга для получения энергии из черных дыр вблизи горизонта событий.

В отличие от спонтанного процесса излучения Хокинга, который происходит сам по себе, и на него нельзя повлиять искусственно, возможно собирать энергию, проводя квантовую операцию после квантового измерения флуктуаций полей за пределами горизонта событий. Временной промежуток телепортации квантовой энергии в контролируемом процессе Хокинга значительно меньше, чем классический процесс излучения Хокинга. Ключевой момент, благодаря которому это принципиально возможно – корреляции между флуктуациями локальных полей в различных точках основного (нулевого) состояния. С теоретическими расчетами можно ознакомиться здесь:

https://arxiv.org/abs/0907.1378