Черные дыры окружают стены пламени? Значит ли это, что один (или несколько) из самых заветных принципов физики – я говорю о таких столпах, как квантовая теория или принцип эквивалентности Эйнштейна – ошибочен? И может ли наше спасение явиться в форме кротовых нор? Над этими вопросами бьются несколько наиболее выдающихся теоретиков в области физики элементарных частиц, которые пытаются найти решение проблемы «файрвола черной дыры» - вероятно, самого главного парадокса физики с того момента, когда почти 40 лет назад Стивен Хокинг (Stephen Hawking) предложил свой парадокс исчезновения информации в черной дыре.

У каждой черной дыры есть свой горизонт событий. Все, что попадает вовнутрь горизонта событий черной дыры, никогда не возвращается обратно – это касается и света. Тем не менее, мы привыкли думать, что пересечение этого горизонта не повлечет за собой никаких коренных изменений: если вы пересечете такой горизонт, вы не заметите ничего особенного.

Между тем, горизонты событий важны по ряду причин. Представьте себе, что по законам квантовой механики возникает пара виртуальных частиц. При обычных обстоятельствах они быстро соединяются и уничтожают друг друга, но если этот процесс происходит вблизи горизонта событий, одну из частиц может засосать в черную дыру, а другая частица останется дрейфовать в космосе. Это означает, что черные дыры излучают частицы – на этот любопытный факт Стивен Хокинг указал уже много лет назад. В конечном итоге черные дыры теряют так много частиц, что они уменьшаются и исчезают, выплескивая свою массу в космос в потоке, называемом излучением Хокинга.

Если посмотреть на эту ситуацию с другой стороны, черные дыры поглощают материю – звезду здесь, заблудившегося в космосе астронавта там – а затем, спустя какое-то время, возвращают их обратно в космос в форме излучения Хокинга. Однако, поскольку информацию невозможно уничтожить – только перемешать  – излучение Хокинга должно содержать в себе всю информацию о материи, попавшей внутрь черной дыры. А это возможно, только если все в излучении Хокинга спутано, то есть если квантовое состояние любой частицы зависит от квантовых состояний всех других частиц излучения Хокинга (Спутанность  - это довольно странное и важное понятие в квантовой физике).

Однако стоит помнить о том, что излучение Хокинга существует вследствие появления пары виртуальных частиц. Одна частица попадает в черную дыру, другая отправляется в космос. Эти две частицы тоже должны быть спутаны. К сожалению, законы квантовой механики отрицают существование промискуитетных сцеплений, то есть частица может быть спутана либо со своим близнецом, либо со всеми остальными частицами излучения, исходящего из черной дыры, но не с обоими сразу.

Таким образом, перед нами возникает дилемма. Чтобы информация сохранилась, частицы излучения Хокинга должны быть спутаны друг с другом. Но чтобы излучение Хокинга вообще возникло, эти частицы должны быть спутаны с частицами, попадающими внутрь черной дыры. Прежде физики полагали, что в этом нет никакого противоречия, поскольку никому еще не удалось наблюдать оба сцепления. Однако AMPS заметили, что частица, исходящая из черной дыры, может развернуться и снова попасть в черную дыру, что подтверждает существование двуквантовых связей и вызывает бесконечное буйство квантовых флуктуаций. Чтобы этого избежать, как полагают ученые, когда частица пересекает горизонт событий, первоначальная квантовая корреляция разрушается, что сопровождается выбросом энергии. А в совокупности это дает стену огня.

(Чтобы узнать о парадоксе файрвола, я рекомендую почитать статьи  Дженнифер Уллетт (Jennifer Ouellette) в разделе Cocktail Party Physics, Денниса Овербайя (Dennis Overbye) в New York Times, Зийя Мерали (Zeeya Merali)в Nature, Джона Прескилла (John Preskill) из Калифорнийского технологического института, а также Джо Полчински (Joe Polchinski), который впервые выдвинул этот парадокс  вместе со своими коллегами Ахмедом Алмхеири (Ahmed Almheiri), Доном Марольфом (Don Marolf) и Джеймсом Салли (James Sully) – все они вместе составляют квартет, известный как AMPS).

Парадокс файрвола черной дыры вызвал удивление и недоумение среди специалистов в сфере физики мельчайших частиц. Получается, что один из центральных постулатов, объясняющих  нашу вселенную, ошибочен: либо частицы могут быть промискуитетно спутаны, что должно повлечь за собой квантовую катастрофу  (практически никто не воспринимает этот вариант всерьез – квантовая теория и правило невозможности промискуитетного сцепления были доказаны десятилетиями экспериментов), либо информация не сохраняется, либо у черных дыр есть файрволы (даже Полчински считает эту версию reductio ad absurdum – «доведением до абсурда»), либо мы просто не до конца понимаем, что на самом деле происходит.

На этой неделе в попытке как-то решить эту задачу физики собрались в Институте теоретической физики имени Кавли (Kavli Institute for Theoretical Physics) при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, чтобы обсудить возможные варианты. Один из самых интригующих вариантов решения предложили Хуан Малдасена (Juan Maidacena) и Леонард Сасскинд (Leonard Susskind), основываясь на идеях Марка ван Раамсдонка (Mark Van Raamsdonk) и Брайана Свингла (Brian Swingle). Малдасена и Сасскинд считают, что решением проблемы файрвола могут стать кротовые норы.

Кротовые норы! Мне кажется, мы не вспоминали о них с 1990-х годов. По сути, кротовые норы – это теоретические объекты, которые связывают две различные точки в пространстве. Их рассматривают в качестве возможных решений уравнений общей теории относительности Эйнштейна: именно Эйнштейн и его коллега Натан Розен (Nathan Rosen) открыли кротовые норы, поэтому их иногда называют мостами Эйнштейна-Розена. К сожалению, концепция кротовых нор не идеальна: уравнения Эйнштейна также подразумевают, что никакие частицы, обладающие неотрицательной энергией (то есть, ни одна из известных нам частиц), не могут пройти через кротовую нору, поэтому в ближайшее время их нельзя рассматривать в качестве полезных межгалактических порталов.

Вслед за ван Раамсдонком Малдасена и Сасскинд предположили, что в любой момент, когда квантовые частицы сцеплены друг с другом, они связаны посредством кротовой норы. Они считают, что связь между частицами внутри черной дыры (поглощаемыми виртуальными частицами) и частицами вне черной дыры (излучением Хокинга) посредством кротовой норы снимает проблемы запутанности настолько, чтобы мы можем отказаться от идеи существования файрвола на горизонте событий.

Отмечу, что это потребует полного переосмысления многих фундаментальных понятий. Запутанность, глубоко квантовое понятие, фундаментальным образом вплетено в геометрию вселенной. Квантовая странность может оказаться тем, что формирует субстрат пространства-времени.

Разумеется, пока ученые не пришли к единому мнению. В конце своего доклада Малдасена и Сасскинд пишут следующее: «В настоящее время о мостах Эйнштейна-Розена и облаках излучения Хокинга нам известно слишком мало, чтобы делать какие-либо выводы… Парадокс AMPS – это чрезвычайно сложный вопрос, ответ на который позволит нам многое узнать о связи между геометрией и запутанностью. AMPS указали на истинный парадокс, касающийся внутреннего пространства черных дыр».

И, если в парадоксах и заключено нечто великое, так это то, что их решение требует радикального прорыва. Оборудование, которое мы создали для решения этих парадоксов, может привести нас к таким местам, о которых мы прежде не могли даже мечтать.

Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.