L'essence du problème formulé par Hawking est la suivante: lors de la formation et de la décomposition ultérieure des trous noirs, des informations sur leur composition détaillée sont perdues.

Décalage infrarouge

Pour expliquer l'essence du paradoxe, considérons les ondes électromagnétiques. Ils viennent dans différentes fréquences, et les fréquences les plus basses correspondent aux ondes radio. Si vous augmentez la fréquence, ce sera déjà un rayonnement infrarouge. Ensuite, nous obtenons les ondes du spectre visible (lumière). Au-delà du spectre visible, il y aura un rayonnement ultraviolet, des ondes de rayons X et, enfin, un rayonnement gamma.

Si nous mettons une source de rayonnement à une certaine distance de tout objet spatial massif et surveillons la lumière émise par lui à une grande distance du centre de gravité, alors nous verrons le soi-disant décalage infrarouge. La fréquence de rayonnement observée loin du corps gravitationnel sera légèrement inférieure à celle émise à proximité. En effet, l'énergie des photons (ondes électromagnétiques) est directement proportionnelle à leur fréquence. Le photon, en surmontant l'attraction gravitationnelle, fait le travail, respectivement, perd de l'énergie, donc sa fréquence diminue.

Pour un corps comme la Terre, cet effet est plutôt faible, mais mesurable. Cependant, par exemple, pour une étoile à neutrons, l' amplitude du décalage infrarouge peut être assez importante. À son tour, pour un trou noir, ce phénomène atteint son extrême dans le sens suivant. Le fait est qu'un trou noir a un soi-disant horizon des événements - la surface à partir de laquelle tout rayonnement subit un décalage infrarouge infini. C'est-à-dire que si la source de rayonnement est située directement sur l'horizon, alors vous voyez que le champ créé par elle ne change pas dans le temps: il n'y a pas de rayonnement, quelle que soit la distance de l'horizon. L'horizon n'est que la surface à partir de laquelle la lumière (ou n'importe quelle vague) ne peut pas sortir.

«L'absence de théorème capillaire»

Les trous noirs sont disposés de manière à créer des champs exclusivement stationnaires, même s'ils tournent autour de leur axe (à condition que leur centre de masse soit au repos). Les champs gravitationnels et électromagnétiques créés par eux ne changeront pas avec le temps. Cette déclaration est appelée le théorème de la perte de cheveux du trou noir. Pour les étoiles, ce n'est pas le cas: elles peuvent créer autour d'elles, par exemple, des champs magnétiques variant dans le temps, même si leur centre de gravité est au repos. Cela est dû au fait que les charges à l'intérieur de l'étoile effectuent divers mouvements, créant un rayonnement. Mais un trou noir ne crée rien de ce genre, même si un terrible mouvement de charges se produit sous son horizon.

Mettons une expérience de pensée: disons, nous avons deux nuages de particules, l'un se compose uniquement de protons et d'antiprotons, et le second se compose de neutrons. Quelque chose a commencé à un moment donné pour comprimer ces nuages. Si leurs masses et moments de rotation étaient les mêmes, alors nous obtenons deux trous noirs absolument indiscernables l'un de l'autre.

Rayonnement Hawking

Au début des années 1970, Stephen Hawking a montré qu'un trou noir devrait émettre un rayonnement, mais il a une nature fondamentalement différente par rapport au rayonnement classique dont nous avons parlé ci-dessus. Le rayonnement discuté ci-dessus a des sources, à savoir des charges et des masses mobiles. Et le rayonnement de Hawking, pourrait-on dire, n'a aucune source: il n'est le résultat d'aucun mouvement de charges. Ce rayonnement résulte de modifications des propriétés du vide (amplification / amplification des vibrations au point zéro) dues à l'effondrement de la matière dans un trou noir. De plus, si les charges et les masses ne donnent lieu qu'à des ondes électromagnétiques et gravitationnelles, à la suite du rayonnement de Hawking quantique, il peut y avoir naissance d'électrons, de positrons, de protons et d'autres particules.

Ainsi, les trous noirs commencent à donner naissance à diverses particules dans leur voisinage. Ce rayonnement a un certain nombre de propriétés caractéristiques. Premièrement, il est stationnaire, c'est-à-dire qu'il change très lentement dans le temps si le trou noir est suffisamment lourd et perd lentement sa masse, donnant naissance à des particules. De plus, le rayonnement Hawking a un spectre thermique. C'est-à-dire qu'un trou noir rayonne comme une source régulière chauffée à une certaine température - la forme d'un tel spectre est caractérisée exclusivement par la valeur de la température.

Une caractéristique importante du spectre de température est que toutes les caractéristiques des particules, à l'exception de la masse et de la charge, sont émises avec la même probabilité. En gros, par exemple, toute particule neutre et tout photon de même énergie sont émis avec la même probabilité.

Paradoxe

Nous sommes maintenant prêts à formuler quel est le paradoxe de l'information. Imaginez que vous ayez deux nuages qui nous sont familiers, dont l'un est constitué de protons et d'antiprotons, et l'autre de neutrons. Imaginez que quelque chose se forme à partir de ces deux étoiles - proton et neutron. Et puis ces étoiles, à la suite de leur brûlure, ont rayonné une partie de leur masse, et quelque chose est resté sous la forme d'une boule froide. Théoriquement, à partir des vestiges de l'évolution des étoiles, nous pouvons retracer l'histoire de chaque particule élémentaire qui faisait partie des nuages. Bien sûr, techniquement, c'est une tâche incroyablement difficile, mais ce n'est qu'une question de principe. La différence dans le cas des trous noirs est que, premièrement, nous semblons être incapables de distinguer deux trous noirs - le proton et le neutron, comme expliqué ci-dessus. Deuxièmementle rayonnement thermique sans sources ne contient aucune information détaillée sur la composition du trou noir. Ainsi, selon les vestiges de l'évolution des trous noirs, même si leur masse s'est complètement convertie en rayonnement, il semblerait, en principe, incapable de restaurer leur origine.

Pourquoi est-ce paradoxal? Le fait est que le pouvoir de la science réside dans son pouvoir prédictif. La science peut prédire que si vous faites ceci ou cela, vous obtiendrez tel ou tel résultat avec telle ou telle probabilité et telle ou telle précision, et exprimerez cette affirmation quantitativement. Et tout autre scientifique peut vérifier telle ou telle expérience. Il s'avère que si des informations sont perdues, alors en présence d'un trou noir, tout cela s'avère faux. Mathématiquement, cela s'exprime dans le fait que la probabilité totale de certains processus peut s'avérer inégale à l'unité, voire supérieure à l'unité.

Critique du paradoxe

Cependant, tout ce qui précède était basé sur une sorte de raisonnement qualitatif. Tous nécessitent une confirmation informatique formelle. Ces confirmations informatiques du paradoxe sont formulées avec un degré de rigueur si bas et avec tellement d'hypothèses grossières qu'avec le même degré de rigueur, elles peuvent être réfutées. Une autre chose est que de nombreux détails des différents processus qui se produisent en présence de trous noirs restent flous. Et pour cette partie de la communauté scientifique qui croit qu'il y a un paradoxe, sa solution est une lumière directrice pour comprendre la nature des trous noirs. Il arrive souvent en science qu'il existe différents points de vue sur un sujet encore mal compris.

Emil Akhmedov, Docteur en sciences physiques et mathématiques, chercheur principal à l'Institut A. I.Alikhanov de physique théorique et expérimentale, professeur agrégé, Département de physique théorique, Institut de physique et de technologie de Moscou, professeur agrégé, Département de mathématiques, École supérieure d'économie.

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