В епоху «великих даних» людство починає генерувати величезні обсяги інформації. А де ж можуть зберігати накопичені знання сверхцивілізації?
Іноді чудові відкриття зобов'язані своїм походженням звичайному... тріпу. Таким виявився і підсумок бесіди американського фізика Джона Вілера зі своїм аспірантом Джейкобом Бекенштейном у далекому 1970 році. При змішуванні гарячого чаю з холодним, міркував Вілер, виходить рідина з проміжною температурою. Тепловий рух молекул води хаотично, і ступінь цієї хаотичності зростає зі зростанням температури. Для вимірювання хаотичності використовують спеціальну величину - ентропію. Ентропія двох злитих чашок чаю буде більшою за суму ентропій гарячої і холодної чашки. У результаті збільшиться і загальна ентропія Всесвіту, як того і вимагає другий закон термодинаміки. Однак що буде, якщо кинути чашку з сумішшю чаїв у чорну діру? Фактично світова ентропія навіть зменшиться, оскільки її колишній носій повністю зникне для зовнішнього світу. А в цьому випадку порушується другий закон термодинаміки.
Врятувати всесвіт
Бекенштейн спробував заперечити і через два роки показав, що зовнішній кордон (горизонт) чорної діри поводиться як нагріте чорне тіло. Тому дірі можна приписати ненульову температуру і, отже, певну ентропію, хоча і досить своєрідну. Ентропія звичайного тіла пропорційна його обсягу, в той час як ентропія чорної діри пропорційна площі її горизонту, тобто квадрату радіуса. З іншого боку, радіус горизонту пропорційний масі діри. Якщо дірка заковтне будь-який матеріальний об'єкт, її маса зросте, через що збільшиться радіус і, отже, ентропія. У разі, про який міркував Вілер, додаткова ентропія діри набагато перевищить приріст ентропії після змішування гарячого чаю. Цей висновок рятує другий закон термодинаміки.
Георгій Двалі, професор теоретичної фізики Нью-Йоркського та Мюнхенського університетів. "Простір всередині чорної діри зовсім не порожній. Воно заповнене гравітонами - квантами поля тяжіння. Для діри сонячної маси їх число становить 1077 - це лише в тисячу разів менше загальної кількості атомів у спостережуваній частині Всесвіту. Усі гравітони перебувають у стані з мінімально можливою енергією і тому становлять єдину квантову систему, аналогічну бозе-ейнштейнівському конденсату. Коли дірка поглинає якийсь об'єкт, у гравітонному конденсаті збуджуються коливання, що залежать від структури поглиненого об'єкта. У результаті привнесена в дірку інформація просто перезаписується на нових носіях, і ніякого парадоксу не виникає ".
"Простір всередині чорної діри зовсім не порожній. Воно заповнене гравітонами - квантами поля тяжіння. Для діри сонячної маси їх число становить 1077 - це лише в тисячу разів менше загальної кількості атомів у спостережуваній частині Всесвіту. Усі гравітони перебувають у стані з мінімально можливою енергією і тому становлять єдину квантову систему, аналогічну бозе-ейнштейнівському конденсату. Коли дірка поглинає якийсь об'єкт, у гравітонному конденсаті збуджуються коливання, що залежать від структури поглиненого об'єкта. У результаті привнесена в дірку інформація просто перезаписується на нових носіях, і ніякого парадоксу не виникає ".
Класика і кванти
Існування чорних дір було спочатку передбачене на основі ейнштейнівської теорії тяжіння, яка не враховує квантових ефектів. Бекенштейн і Гокінг використовували для аналізу процесів поблизу горизонту чорної діри квантову фізику, дозволивши загадку Вілера. Однак при цьому виник новий парадокс, що зачіпає самі основи квантової механіки. Нехай діра заковтує об'єкт, що володіє певною структурою (а структура несе в собі інформацію). Дірка перетворює цей об'єкт на теплове випромінювання, яке ніякої інформації не несе. Тобто інформація зникає, що суперечить квантовим постулатам. Інформаційний парадокс чорних дір вперше усвідомили ще в середині 1970-х років. Наприкінці 1990-х цією темою займалися такі відомі вчені, як Стівен Гокінг, Кіп Торн і Джон Прескілл. Але навіть після бурхливих дискусій питання про руйнування інформації в чорній дірі залишилося відкритим.
Втім, можливо, насправді ніякого парадоксу і немає. У всякому разі, так вважають професор теоретичної фізики Нью-Йоркського і Мюнхенського університетів Георгій Двалі і його мадридський колега Цезар Гомес. Разом зі своїми студентами вони побудували мікроскопічну модель збереження інформації всередині чорних дір нашого світу. Може здатися, що замкнена в дірі інформація втрачена для зовнішнього світу, і в цьому сенсі парадокс зберігається. Однак з теорії Двалі і Гомеса випливає, що це не так. Вібрації гравітонного конденсату змінюють спектр випромінювання Гокінга, і воно перестає бути чисто тепловим. У відхиленнях від теплового спектру і зберігається інформація, яку зовнішній спостерігач в принципі може прочитати і розшифрувати. Дуже важливо, що потрібний для цього час завжди менше повного часу життя діри, який би обсяг інформації вона не проковтнула.
Випромінювання Гокінга
У 1974 році Стівен Гокінг, використовуючи квантовий підхід, передбачив, що чорні діри не такі вже й чорні - вони повинні випускати теплове випромінювання чорнотельного типу, що виникає в околиці горизонту через взаємодії вакуумних флуктуацій з гравітаційним полем. Спектр цього випромінювання залежить від температури і тому реагує на будь-яке попадання речовини з навколишнього простору. Зовнішній спостерігач може помітити зміну спектру і таким чином зареєструвати збільшення температури діри і, отже, зростання її ентропії. Через випромінювання Гокінга чорні діри втрачають масу («випаровуються»), і зрештою гинуть, але час життя дірок астрономічних масштабів на десятки порядків більше нинішнього віку Вселенної. Через
квантові флуктуації різних полів у вакуумі безперервно народжується і гине безліч пар віртуальних частинок, які рухаються в протилежних напрямках (за законом збереження імпульсу). Якщо така пара з'явиться на самому горизонті, то «внутрішня» частинка провалиться в дірку, а ось «зовнішня» за сприятливих умов може піти. В результаті діра перетворюється на джерело випромінювання, втрачає енергію і, отже, масу.
У 1974 році Стівен Гокінг, використовуючи квантовий підхід, передбачив, що чорні діри не такі вже й чорні: вони повинні випускати теплове випромінювання чорнотельного типу, що виникає в околиці горизонту через взаємодію вакуумних флуктуацій з гравітаційним полем. Спектр цього випромінювання залежить від температури і тому реагує на будь-яке попадання речовини з навколишнього простору. Зовнішній спостерігач може помітити зміну спектру і таким чином зареєструвати збільшення температури діри і, отже, зростання її ентропії. Через випромінювання Гокінга чорні діри втрачають масу («випаровуються») і зрештою гинуть, але час життя дірок астрономічних масштабів на десятки порядків більше нинішнього віку Всесвіту. Таким чином, чорні діри можуть бути накопичувачами інформації жахливої ємності. Вібрації гравітонного конденсату не розмиваються і не загасають настільки довго, що зберігаються практично вічно. Надцивілізація може користуватися чорними дірами для абсолютно надійного складування будь-якого обсягу інформації. Як знати - можливо, у Всесвіті є діри, що зберігають відомості про давно загиблих світів і їх мешканців.