Знаменитый парадокс черных дыр, похоже, получил разрешение. Но все очень сложно

На протяжении 50 лет физики-теоретики пытались разрешить знаменитый парадокс черных дыр, который предсказывает, что эти космические монстры гораздо сложнее, чем предполагает общая теория относительности. Дело в том, что согласно теории Эйнштейна, черные дыры на удивление просты. Если вы знаете массу, заряд и вращение черной дыры, то знаете о ней все, что нужно. Выходит, черные дыры – одни из самых простых и понятных персонажей во всей Вселенной. Но эта кажущаяся простота порождает тревожный парадокс. В 1970-х годах знаменитый астрофизик Стивен Хокинг понял, что черные дыры не являются полностью черными. Вместо этого они излучают свет посредством тонкого квантово-механического процесса, действующего на их горизонтах событий или границах черных дыр, откуда ничто, даже свет, вырваться не может. Поскольку черные дыры настолько просты и могут быть описаны всего тремя числами, вся информация о материале, который попадает в черные дыры, по-видимому, заперта навсегда. Неважно, создадите ли вы черную дыру из мертвых звезд и межзвездной пыли или черную дыру из кошек; пока эти две черные дыры имеют одинаковый спин, массу и заряд, они будут идентичны. Но что в конечном итоге происходит с информацией?

Информационный парадокс

Вселенная удивительна. И очень жаль, что современные города загрязнены освещением так сильно, ведь звезд в ночном небе практически не видно. Между тем, если бы каждую ночь мы видели из окна Млечный Путь, а каждый август наблюдали за потоком Персеиды не выходя из дома, мы, наверняка, задумывались о Вселенной чаще. В конце концов, самые безумные физические теории, например, о множественности миров или о том, что с помощью черных дыр можно путешествовать в этот самый Мультиверс, могут оказаться реальностью, кто знает.

Ну а пока Андрей Линде и другие ученые предполагают, что наш Большой взрыв был не единственным, усилия других направлены на изучение черных дыр, существование которых удалось доказать несколько лет назад.

Стивен Хокинг, который посвятил массу научных трудов этим космическим монстрам, полагал, что мере того, как черная дыра испускает излучение, она испаряется, в конечном итоге полностью исчезая — отсюда и так называемый информационный парадокс черной дыры. Если куча информации попадает в черную дыру, и информация не может быть уничтожена, то когда черная дыра исчезает и куда девается вся информация?

Снимок черной дыры, полученный помощью сети телескопов, расположенных на восьми континентах. То, что мы видим на снимке – больше по размеру, чем вся наша Солнечная система. Масса этой черной дыры превышает солнечную в 6,5 млрд раз.

В серии прорывных работ физики-теоретики подошли мучительно близко к разрешению информационного парадокса черной дыры, который очаровывал и мучил их в течение почти 50 лет. Информация, как они теперь с уверенностью говорят, действительно ускользает из черной дыры.

Если прыгнуть в черную дыру, вы не пропадете навсегда. Частица за частицей, информация, необходимая для восстановления вашего тела, будет появляться снова. Большинство физиков давно предполагали, что так оно и будет; таков был итог теории струн – ведущего кандидата на создание единой теории всего. Но новые вычисления, хотя и вдохновленные теорией струн, сами по себе не предполагают их существования.

Информация выходит наружу благодаря действию самой гравитации — просто обычной гравитации с одним слоем квантовых эффектов, – считают исследователи. Это своеобразное изменение роли гравитации.

Изменение роли гравитации

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация черной дыры настолько сильна, что ничто не может избежать ее. Более сложное понимание черных дыр, разработанное Стивеном Хокингом и его коллегами в 1970-х годах, не ставило под сомнение этот принцип. Хокинг и другие пытались описать материю в черных дырах и вокруг них с помощью квантовой теории, но они продолжали описывать гравитацию, используя классическую теорию Эйнштейна – это гибридный подход, который физики называют «полуклассическим».

Хотя подход предсказывал новые эффекты по периметру дыры, внутренняя часть оставалась строго изолированной. Физики пришли к выводу, что Хокинг сделал правильный полуклассический расчет – любой дальнейший прогресс должен был бы также рассматривать гравитацию как квантовую.

Такой черную дыру увидели создатели фильма «Интерстеллар»

Однако, именно это оспаривают авторы новых исследований. Как пишет Wired, они обнаружили дополнительные полуклассические эффекты – новые гравитационные конфигурации, которые допускает теория Эйнштейна, но которые Хокинг не включал.

Поначалу приглушенные, эти эффекты начинают доминировать, когда черная дыра становится очень старой. Дыра превращается из царства отшельников в энергично открытую систему. Мало того, что информация просачивается наружу, все новое, что попадает в нее, извергается почти сразу. Пересмотренная полуклассическая теория еще не объяснила, как именно информация выходит наружу, но за последние два года темпы открытий были такими, что у ученых есть намеки на разрешение парадокса.

Так или иначе, перед теоретиками еще очень много работы – само пространство-время, похоже, распадается на черную дыру, подразумевая, что пространство-время – это не корневой уровень реальности, а возникающая структура из чего-то более глубокого. И хотя Эйнштейн понимал гравитацию как геометрию пространства-времени, его теория также влечет за собой распад пространства-времени, и именно поэтому информация в конечном счете может вырваться из своей гравитационной тюрьмы.

Черные дыры, квантовые компьютеры и нелокальность

В многочисленных попытках разрешить информационный парадокс черных дыр, исследователи прибегли к компьютерному моделированию, которое само по себе является физической системой; квантовое моделирование, в частности, не совсем отличается от того, что оно моделирует. Поэтому физики представили, что собирают все излучение, вводят его в массивный квантовый компьютер и запускают полную симуляцию черной дыры.

И это привело к замечательным результатам. Поскольку излучение связано с черной дырой, из которой оно пришло, квантовый компьютер тоже сильно связан с черной дырой. В рамках моделирования квантовая запутанность преобразуется в геометрическую связь между моделируемой черной дырой и оригиналом. Проще говоря, они соединены червоточиной.

Есть физическая черная дыра, а затем смоделированная в квантовом компьютере, и между ними может быть точная копия червоточины, – сказал Дуглас Стэнфорд, физик-теоретик из Стэнфордского университета и соавтор нового исследования. Эта идея является примером предположения 2013 года о том, что квантовую запутанность можно рассматривать как червоточину. Червоточина, в свою очередь, обеспечивает секретный туннель, через который информация может проникнуть внутрь.

Квантовые компьютеры для моделирования черных дыр ближе, чем кажется.

Дальнейшие обсуждения, неизбежно, касались того, как буквально понимать все эти червоточины. Червоточины настолько глубоко погружены в уравнения, что их связь с реальностью кажется слабой, но все же они имеют ощутимые последствия. Соединяя два удаленных местоположения, червоточины позволяют событиям в одном месте напрямую влиять на удаленное место, вот только частица, сила или другое влияние не пересекают промежуточное расстояние. Этот эффект физики называют нелокальностью.

Мы всегда знали, что в гравитации должны быть задействованы какие-то нелокальные эффекты, и это – один из них, – отмечают исследователи. Вещи, которые вы считали независимыми, на самом деле не являются таковыми.

На первый взгляд это удивительно. Эйнштейн построил общую теорию относительности с явной целью исключить нелокальность из физики. Гравитация не распространяется через пространство мгновенно. Она должна распространяться из одного места в другое с конечной скоростью, как и любое другое взаимодействие в природе.

Но за прошедшие десятилетия физикам стало ясно, что симметрии, на которых основана теория относительности, создают новое поколение нелокальных эффектов.

Так, в феврале 2020 года команда физиков обнаружила, что симметрии теории относительности оказывают даже более обширные эффекты, чем обычно предполагается, что может придать пространству-времени качество зеркального зала, наблюдаемое при анализе черных дыр.

Так черная дыра искривляет пространство-время.

Все это усиливает догадку многих физиков о том, что пространство-время не является коренным уровнем природы, а возникает из какого-то основополагающего механизма, который не является пространственным или временным. Новые вычисления говорят почти то же самое, но без привязки к двойственности или теории струн. Червоточины возникают потому, что являются единственным языком, который интеграл пути может использовать для передачи того, что пространство разрушается. Это способ геометрии сказать, что Вселенная в конечном счете негеометрична.

И хотя физикам потребуется время, чтобы подтвердить или опровергнуть результаты исследования, в конце концов, даже авторы работы не ожидали, что разрешат информационный парадокс черных дыр таким образом и без полной квантовой теории гравитации. Но если предположить, что их расчеты верны, то теория черных дыр больше не содержит логического противоречия, которое делает ее парадоксальной. Словом, Viva физика и человеческий разум.