На входе в чёрную дыру может существовать огненная стена

В середине года в сообществе физиков, интересующихся изысканиями в области чёрных дыр (ЧД), возникло некоторое замешательство. На сайте arXiv появилась работа, которая в прямом смысле грозит созданием парадокса не слабее всех этих ваших шрёдингеровских котов и демонов Максвелла. В общем, поддерживаемое многими учёными убеждение в том, что информация при попадании в чёрную дыру не исчезает, чревато серьёзнейшей дилеммой.

Представим, что две частицы — назовём их Алисой и Бобом — пролетают около обычной ЧД. Алиса, будучи пойманной гравитацией ЧД, пересекла горизонт событий последней. И тут неожиданно выясняется, что между Алисой и Бобом существовала квантовая запутанность. Под нею, несколько упрощая, понимается взаимосвязь параметров двух разных частиц (Алисы и Боба) на теоретически неограниченно большом расстоянии, причём такая взаимосвязь, при которой их параметры связаны в каждое конкретное мгновение. Соответственно, информация о состоянии Алисы из-за горизонта событий ЧД будет доступна Бобу, а по параметрам Боба её сможет понять и сторонний наблюдатель. И вот тут начинается самое главное: если, как предпочитает думать большинство физиков, информация в ЧД не теряется (после попадания туда с материей из окружающего чёрную дыру мира) и её можно восстановить по испускаемому дырой излучению Хокинга, то налицо противоречие между квантовой запутанностью Алисы и Боба и квантовой запутанностью ЧД и её непосредственного 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.

Что же всё таки происходит с несчастным, угодившим в чёрную дыру? Гибнет ли он сразу или через какое-то время? (Иллюстрация NASA / JPL-Caltech.)

И это ещё не всё. Что случится, если Боб будет не просто частицей, а сторонним наблюдателем и сравнит информацию, получаемую им из излучения Хокинга (от Кэрри) и от квантово сцепленной с ним Алисы? «Это будет катастрофой, — комментирует физик Рафаэль Буссо (Raphael Bousso) из Калифорнийского университета в Беркли (США). — Потому что Боб, внешний наблюдатель, видит ту же информацию в хокинговском излучении, и если они смогут поговорить о ней [с Алисой, квантово сцепленной с Бобом], там будет квантовое ксерокопирование, строго запрещённое в квантовой механике».

Вслед за упомянутой публикацией группы учёных под руководством Ахмеда Альмейри (Ahmed Almheiri) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) появилась целая волна комментариев (вот лишь некоторые из них), содержание которых весьма предсказуемо: группа Альмейри (она же AMPS) что-то там перемудрила. Несмотря на единодушный критический порыв, оппонентам вскоре пришлось признать, что в рамках известных физических законов предложенный парадокс явно существует. Если же его нет, то какие-то из этих законов неверны.

Традиционно, согласно ОТО, считается, что если кто-то или что-то падает в большую ЧД, то действует сценарий «Ничего страшного» (No Drama): у горизонта событий гравитация слаба, и Алису, будь она человеком, не разорвёт на части. Хотя при падении вглубь ЧД в конце концов она дойдёт до сингулярности, и её начнёт вытягивать гравитация, постепенно «спагеттизируя».

Если же предложенный г-ном Альмейри и его коллегами вариант верен, на входе в ЧД (точно у горизонта событий) должен быть файервол, препятствующий попаданию квантово сцепленной с Бобом Алисы дальше в глубь ЧД. Что это странное словосочетание означает физически, пока не вполне ясно. Предположительно, это может быть состояние сингулярности, вопреки нашему представлению о ЧД, расположившейся прямо у горизонта событий и немедленно уничтожающей любой подающий за горизонт объект, включая Алису вместе со всей её квантовой запутанностью.

Очевидно, перед нами своего рода новый ЭПР-парадокс: если «огненная стена» на входе в ЧД есть, то или общая теория относительности, или наше понимание квантовой механики хромает. Выходов из парадокса не так много. Можно предположить, что попадающая в ЧД информация на самом деле уничтожается. И действительно, непонятно, как по хокинговской радиации, вылетающей из ЧД только что поглотившей например БСЭ, можно восстановить информацию, содержавшуюся в энциклопедии. Но тогда придётся попрощаться с принципом унитарности — краеугольным камнем современной физики. Иными словами, с принципом, согласно которому сумма вероятностей событий, могущих произойти с квантовой системой, всегда равна единице. Читатель, мы полагаем, догадывается, что нарушение такого принципа делает всю квантовую механику очень шаткой вещью, и вариант этот физикам не нравится.

Вопреки сценарию No Drama (слева вверху), на деле из-за файервола Алиса может погибнуть почти сразу, в силу «рокового треугольника» между ней, Бобом и Кэрри. (Иллюстрации Joseph Polchinski.)

Впрочем, некоторые физики всё-таки задумались над такой возможностью. Хотя мы и не знаем, что будет с квантовой механикой без принципа унитарности, «это не значит, что ничего подобного не может быть сделано, — полагает известный физик Джон Филипп Прескилл из Калифорнийского технологического института (США). — Посмотрите в зеркало и спросите себя: поставлю ли я свою жизнь за унитарность?»

Перспектива, конечно, пугающая. Есть и альтернативы: пересмотр принципа эквивалентности сил гравитации и инерции. Согласно нему, если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить, какая сила действует на данное тело — гравитационная или сила инерции. Именно этот принцип делает возможным вышеупомянутый сценарий «Ничего страшного»; он-то и вступает в противоречие с принципом унитарности в сценарии с «огненной стеной». Согласно выводам семинара, проведённого в Стэнфордском университете, либо унитарность, либо принцип эквивалентности, либо саму концепцию одинакового действия физических законов вне ЧД и внутри её придётся пересмотреть — но какой именно из этих трёх принципов положить под топор, пока никто из полусотни участвовавших в дискуссии физиков не знает.

Подготовлено по материалам Simons Foundation.