«Файрвол» черных дыр поставил в тупик теоретическую физику

Черная дыра. Иллюстрация.

Если новая гипотеза о некой «стене огня» (firewall) в полюбившемся людям значении за горизонтом событий черных дыр окажется верной, минимум одно из трех фундаментальных понятий в теоретической физике будет поставлено под вопрос. Этот вопрос изучается физиками уже около года, и недавняя конференция лишь разогрела интерес людей от науки. И расстроила их.

Стоит предупредить сразу, что для полного понимая проблемы, вам нужно знать хотя бы элементарные понятия квантовой механики. Вы наверняка знаете, что в микромире частицы ведут себя не только как бейсбольные мячики, но и как волны. Представить некоторые квантовые процессы — можно с ума сойти, но тем интереснее будет вместе с физиками озадачиться проблемой файрвола.

Алиса и Боб, любимые персонажи всевозможных мысленных экспериментов в квантовой механике, оказались в страшной западне. Авантюрная и слегка безрассудная Алиса прыгает в огромную черную дыру, оставляя бедняжку Боба за горизонтом событий — за пределами точки невозврата черной дыры, перейдя которую можно только в одном направлении без шанса вернуться. Что дальше?

Как правило, физики предполагают, что если черная дыра будет достаточно большой, Алиса не заметит ничего необычного по мере пересечения горизонта событий (более подробно переживания человека в такой ситуации мы описывали здесь). По этому сценарию, который красочно называется «ничего страшного», гравитационные силы не станут экстремальными, пока девушка будет двигаться по направлению к точке сингулярности. А там Алиса превратится в макароны.

Новая гипотеза предполагает, что бедную Алису ждет куда большая драма, чем она рассчитывала. Возможно, пока ничего не подозревающая Алиса будет пересекать горизонт событий, она столкнется с файрволом, который испепелит ее в момент. Если гипотеза окажется верна, минимум одно из трех фундаментальных понятий в теоретический физике, как мы уже сказали, перестанет быть вопросом обсуждения.

Когда прошлым летом на обсуждение был вынесен сценарий «огненной смерти» Алисы, многие из светил науки оказались озадачены.

«Моя первая реакция была такой: да вы шутите», — говорит Рафаэль Буссо (Raphael Bousso), физик из Университета Каролины в Берклии.

Сперва физик решил, что мощный контраргумент поставит выскочку-гипотезу на место. Но после бурного обсуждения темы среди мощных физиков, ей был дан карт-бланш на правах парадокса. Парадоксов в квантовой механики — масса, и один из них мы недавно обсуждали, пытаясь понять, может ли во Вселенной быть Высший разум? (Да-да, кроме представительства Hi-News.ru в Twitter). Но в этом случае другие силы — огненные — включились в спор.

Файрвол — это компьютерный термин. Буквально — межсетевой экран, не пропускающий то, чему не положено проходить. В нашей статье файрвол будет принимать точно такое же значение, только расположится между горизонтом событий черной дыры и ее сингулярностью.

«Адское варево»

Моногамность квантовой запутанности.

Физические парадоксы это своеобразный путь решения ключевых проблем. В основе головоломки, которую мы сейчас пытаемся распутать, лежит конфликт между тремя постулатами, любимыми многими физиками. А именно:

1. Первый, основанный на принципе эквивалентности общей теории относительности, рисует сценарий «ничего страшного»: поскольку Алиса находится в свободном падении, пересекая горизонт событий, и нет разницы между свободным падением и инерциальным движением, она не должна испытывать экстремальное влияние гравитации.

2. Второй постулат основан на унитарности, предположении, что, по законам квантовой механики, информация, канувшая в черную дыру, не будет безвозвратно утеряна. Унитарность в квантовой механике — это аксиома того, что все возможные вероятности события равны единице.

3. Третий — «нормальная» физика, то есть допущение, что внутри черной дыры физика будет работать как обычно, даже если в определенный момент начнет выкидывать фокусы — в сингулярности или на горизонте событий.

Вместе эти три понятия составляют то, что Буссо в сердцах называет «адским варевом». Чтобы разрешить парадокс, один из трех должен быть принесен в жертву, но физики никак не могут решить, кого казнить, а кого помиловать.

Физикам нелегко отказываться от постулатов, проверенных временем. Вот почему многие сочли появление «файрвола» буквально зловредным. «Это неестественно», — заявил Джон Прескилл на неофициальной конференции в Калифорнийском технологическом институте, устроенной Леонардом Саскиндом. В течение двух дней около полусотни физиков вбрасывали сумасшедшие идеи, пытаясь разрешить парадокс, сопровождаемый бешеным стучанием мелков, которыми выписывали уравнения на доске. Но ко всеобщему сожалению, даже самым отчаянным критикам гипотезы «огненной стены» пришлось сдаться: поиск решения далек от завершения.

По мнению Джозефа Польчински, теоретика теории струн в Калтехе, простейшим решением будет то, что принцип эквивалентности разваливается на горизонте событий, порождая файрвол. Польчински и сам полагает, что идея безумна, но «огненная стена» будет наименее радикальным потенциальным разрешением вопроса.

Если в гипотезе «огненной стены» и есть ошибка, она неочевидна. А это, в свою очередь, грозит появлением крепкого научного парадокса. И все это на фоне того, что физики-теоретики обеспокоены на совесть крепким положением Стандартной модели ввиду недавнего открытия бозона Хиггса. Данных не хватает, но парадоксы множатся.

Но если же группа под руководством Польчинского ошибается, физика должна сделать мощный рывок вперед, и возможно даже подобраться ближе к теории квантовой гравитации. Черные дыры интересуют физиков в первую очередь потому, что к ним применяется и общая теория относительности, и квантовая механика — чего не скажешь о других объектах во Вселенной, за субатомный уровень которых отвечает квантовая механика, а в макромире — общая теория относительности. Два этих «свода законов» отлично работают отдельно друг от друга, но физики безумно хотят объединить их, дабы пролить свет на такие аномалии, как черные дыры, а значит и на происхождение Вселенной. Что было до Большого взрыва — массу теорий мы разбирали ранее.

Это преамбула. Давайте же, давайте перейдем к десерту и выясним, над чем физики ломают голову.

Парадокс запутанности

Проблемы очень тонкие и сложные — если бы они были простыми, не было бы парадокса — но большая часть аргументов группы Польчинского (которую в мире физиков называют AMPS — по первым буквам фамилий четырех членов команды) использует принцип моногамной квантовой запутанности. Вы можете получить только один тип запутанности единовременно. AMPS считают, что нужно два разных типа квантовой запутанности, чтобы все три постулата «адского варева» были верными. Но поскольку по правилам квантовой механики у вас не может быть две разных запутанности, один из трех постулатов должен быть убран.

Квантовая запутанность — которую Альберт Эйнштейн высмеивал как «пугающее действие на расстоянии» — это хорошо известная особенность квантовой механики. В мысленном эксперименте Алиса и Боб представляют собой пару запутанных частиц. Когда субатомные частицы сталкиваются, они могут быть невидимо связаны, хотя физически — разъединены. И даже на дистанции они неразрывно связаны и действуют как единый объект (дистанция может быть сколь угодно великой, но экспериментально удалось «телепортировать» запутанные частицы на расстояние в 97 километров). А значит, один партнер может моментально узнать состояние другого. Загвоздка лишь в том, что запутать определенным образом (читай — с определенным типом) можно только одну пару частиц одновременно. Сейчас объясним.

В классической физике, как рассказал Прескилл, Алиса и Боб могут иметь по копии одной и той же газеты, а значит иметь доступ к одной и той же информации. Создание такой связи определяется как «сильная корреляция». Третий персонаж — Кэрри — тоже может купить копию газеты и получить доступ к той же информации, что и первые два. Это не ослабит корреляцию Боба и Алисы. Грубо говоря, кто угодно может купить ту же газету и стать участником сильной корреляции.

Но в квантовой механики все работает не так. Чтобы Боб и Алиса были максимально запутаны, их газеты должны лежать в одном и том же положении, сверху-донизу и слева-направо. И когда газеты будут ориентированы одинаковым образом, Алиса и Боб будут получать доступ к одной и той же информации.

«Поскольку есть только один способ читать классическую газету и множество — читать квантовую газету, квантовая корреляция куда сильнее, чем классическая», — объясняет Прескилл. Следовательно, если Боб будет сильно запутан с Кэрри, придется пожертвовать запутанностью с Алисой.

Проблема в том, что есть больше, чем один тип запутанности в случае с черной дырой, и по гипотезе AMPS, две из них конфликтуют. Это запутанность между Алисой, падающей в черную дыру, и Бобом, который нужен для сценария «ничего страшного». Есть и вторая запутанность, которая рождается из очередного парадокса в физике, затрагивающего вопрос об исчезновении информации в черной дыре. В 1970 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры на самом деле не совсем черные. Хотя Алиса ничего странного не заметит во время пересечения горизонта событий, Боб увидит горящий кусок угля — излучение Хокинга.

Излучение Хокинга — результат виртуальных частиц, вылетающих из квантового вакуума рядом с черной дырой. Обычно они сталкиваются и аннигилируют с выбросом энергии, но иногда одна улетает в черную дыру, а другая — в космос. Масса черной дыры, которая должна слегка уменьшаться, компенсируя этот эффект и убеждаясь, что энергия сохраняется, будто бы «подмигивает» нам. Скорость испарения черной дыры зависит от ее размера: чем больше черная дыра, тем медленнее она испаряется.

Хокинг предположил, что как только излучение улетучивается, любая информация о черной дыре, содержащаяся в излучении, будет потеряна.

«Бог не просто играет в кости, он иногда сбивает нас столку, бросая их там, где мы их не видим», — однажды сказал он.

Вместе с физиком из Калтеха Кипом Торном они даже поспорили с Прескиллом в 1990 году (о результатах пари можете узнать здесь) о том, исчезает ли информация в черной дыре или нет. Прескилл был за второй вариант. Хокинг и Торн — за первый. В итоге, физики пришли к выводу, что информация сохраняется: по мере испарения черной дыры, излучение Хокинга должно становиться все более запутанным с площадью за пределом горизонта событий. Поэтому, пока Боб наблюдает за излучением, он извлекает информацию.

И вот главный вопрос: что произойдет, если Боб сравнит свою информацию с информацией Алисы после того, как она пересечет горизонт событий?

«Это будет катастрофа», — говорит Буссо. — «Потому что Боб, внешний наблюдатель, видит идентичную информацию в излучении Хокинга [поскольку оно содержит квантовые частицы, запутанные с частицами внутри черной дыры], а значит если он захочет обсудить это, возникнет квантовое «ксерокопирование», которое строго запрещено в квантовой механики».

Физики под руководством Саскинда заявили, что расхождение между этими двумя точками зрения на черную дыру будет отлично соблюдаться, пока Алиса и Боб будут делиться своей информацией. Это понятие под названием взаимодополняемости просто не будет подразумевать прямого противоречия, поскольку ни один отдельный наблюдатель не может быть как снаружи, так и внутри горизонта событий. Если Алиса пересечет его, увидит звезды за его пределами и захочет рассказать Бобу об этом, общая теория относительности найдет способы остановить ее благие намерения.

Аргумент Саскинда о том, что информация может быть восстановлена без квантового «ксерокопирования», был настолько убедительным, что Хокинг признал свой проигрыш в 2004 году. Но вполне возможно, что Торн, который до последнего сопротивлялся, был все же прав.

Файрвол рождается вследствие следующего: если, как предпочитает думать большинство физиков, информация в черной дыре не теряется (после попадания туда с материей из окружающего черную дыру мира) и ее можно восстановить по испускаемому дырой излучению Хокинга, то налицо противоречие между квантовой запутанностью Алисы и Боба и квантовой запутанностью черной дыры и ее окружения. Боб, получается, одинаково сильно квантово сцеплен сразу и с Алисой, и с «третьим лицом», которое физики называют Кэрри. Однако квантовая механика запрещает одинаково сильную квантовую запутанность между более чем двумя частицами: квантовая запутанность «моногамна», или Боб не может находиться в одинаково сильно сцепленном состоянии сразу и с Алисой, и с Кэрри.

Буссо решил, что взаимодополняемость может разрешить парадокс «файрвола». Но вскоре понял, что этого недостаточно. Взаимодополняемость — это теоретическая концепция, разработанная для решения конкретной задачи, а именно согласования двух точек зрения наблюдателей за пределами и внутри горизонта событий. Но «огненная стена» находится совсем чуточку за пределами горизонта событий, давая Алисе и Бобу одну точку зрения на двоих, а значит взаимодополняемость не разрешит вопрос.

Где-то около квантовой гравитации

Если физики хотят избавиться от огненной стены и сохранить сценарий «ничего страшного», им придется найти новое теоретическое понимание этой уникальной ситуации или признать, что Хокинг, возможно, был прав, утверждая, что информация теряется, а значит Прескиллу придется вернуть должок. В целом, Прескилл был немало удивлен, понимая, что ему с коллегами придется пересмотреть возможность потери информации. Хотя мы не видим смысла в квантовой механике без унитарности, «это не означает, что она разработана до конца», отмечает Прескилл. Во всяком случае, свою жизнь на унитарность он бы не поставил.

Польчински настаивает на том, что Алисе и Бобу нужно быть запутанными, чтобы сохранить сценарий «ничего страшного», и нужно излучение Хокинга, чтобы быть запутанным с зоной за пределами горизонта событий, чтобы сохранить квантовую информацию. Но не то и другое одновременно. Если вы пожертвуете запутанностью излучения Хокинга с площадью за горизонтом событий, вы потеряете информацию. Если вы пожертвуете запутанностью Алисы и Боба, вы получите «файрвол», который попросту уничтожит Алису и не позволит вывести информацию.

«Квантовая механика не даст обоим находиться там», — говорит Польчински. — «Если вы потеряете запутанность между падающей Алисой и Бобом, то есть наблюдателями, вы породите определенную нестабильность в квантовом состоянии горизонта событий. Если вы разорвете цепочку, в каком-то смысле, сломанная цепочка потребует энергии. А значит, будет некий файрвол, который не даст этому случиться». Волшебство.

Это следствие вытекает из того факта, что запутанность между зоной за пределами горизонта событий и излучением Хокинга должна увеличиваться по мере того, как черная дыра испаряется. Когда примерно половина массы черной дыры испаряется в никуда, черная дыра становится максимально запутанной и переживает что-то вроде кризиса среднего возраста. Прескилл объясняет: «Это как если бы сингулярность, которую мы ожидали найти глубоко в черной дыре, лежит прямо за горизонтом событий, когда черная дыра уже стара». В результате столкновения сингулярности и горизонта событий и появляется этот страшный файрвол.

Даже само представление о том, что сингулярность мигрировала из бездны черной дыры поближе к горизонту событий, расстроило физиков. Это страшный удар по общей теории относительности, считает Буссо.

При всем скепсисе относительно файрвола, он заслужил быть виновником торжества. Буссо искренне считает, что это самое интересное, что случалось с ним с тех пор, как он стал физиком. И физику искренне повезло застать рождение этого парадокса.

Смерть Алисы от файрвола, судя по всему, станет классическим мысленным экспериментом в физике. Чем больше физики узнают о квантовой гравитации, тем больше различий появляется на фоне общеизвестной картины работы вселенной. Физики кладут свою веру на алтарь ради научно-технического прогресса. Теперь им придется пожертвовать либо сценарием «ничего страшного», либо унитарностью, ну или сурово переработать квантовую теорию поля. Даже если файрвол — это страшная ошибка, физики наверняка узнают что-то новое.

Источник: scientificamerican.com