Физики выдвинули теорию о том, что новый тип «проходимых» чёрных дыр может разрешить сложный парадокс и спасти информацию, попавшую в чёрные дыры
В 1985 года, когда Карл Саган писал свой роман «Контакт», ему необходимо было быстро переместить своего протагониста доктора Элли Эрроуэй С Земли на звезду Вега. Он сделал так, что она попала в чёрную дыру и вышла в нескольких световых годах от неё, но ему не было понятно, имеет ли такой сюжет смысл. Астрофизик Корнеллского университета и известный телеведущий проконсультировался у своего друга Кипа Торна, эксперта по чёрным дырам из Калифорнийского технологического института (недавно он получил Нобелевскую премию). Торн знал, что Эрроуэй не могла бы добраться до Веги при помощи чёрной дыры, которая, как считается, ловит и уничтожает всё, что попадает в неё. Но он понял, что она могла бы использовать дыру другого типа, не противоречащую общей теории относительности Эйнштейна: туннель, или червоточину, соединяющий удалённые места пространства-времени.
Простейшие теоретические червоточины сразу же схлопываются и исчезают до того, как что-либо сможет через них пройти. Но Торн задумался, сможет ли «бесконечно продвинутая» научно-фантастическая цивилизация стабилизировать червоточину достаточно долго для того, чтобы через неё прошло что-то или кто-то. Он додумался, что такая цивилизация могла бы выложить туннель «экзотическим материалом», противостоящим схлопыванию. Материал должен обладать отрицательной энергией, отталкивающей излучение и пространство-время. Саган использовал этот трюк в «Контакте», приписав изобретение экзотического материала более ранней, затерянной цивилизации, чтобы не вдаваться в подробности. Тем временем эти самые подробности захватили Торна, его студентов и многих других физиков, проведших годы в изучении проходимых чёрных дыр и их теоретических применений. Они обнаружили, что эти ЧД могут служить машинами времени и вызывать парадоксы путешествий во времени — а это свидетельство того, что природа запрещает существование экзотического материала.
Сегодня, десятилетия спустя, появились новые виды проходимых ЧД, не требующие экзотического материала и потенциально способные помочь физикам распутать сложный парадокс ЧД. Именно этот парадокс мешал разработке раннего черновика «Контакта» и привёл Торна к размышлениям о проходимых чёрных дырах — а именно, всё, что падает в ЧД, исчезает без следа. Полное стирание информации нарушает правила квантовой механики и приводит экспертов в такое затруднение, что в последние несколько лет некоторые даже начали заявлять, что у чёрной дыры вовсе не существует внутренностей — пространство и время странным образом заканчиваются у них на горизонтах.
Шквал открытий начался в 2016 году с работы, где сообщалось о первой проходимой червоточине, которой не требуется добавление экзотических материалов для того, чтобы оставаться открытой. Согласно Пингу Гао [Ping Gao] и Дэниелу Джафферису [Daniel Jafferis] из Гарвардского университета и Аарону Уоллу [Aron Wall] из Стэнфорда, отталкивающая отрицательная энергия в чреве червоточины может создаваться снаружи особой квантовой связью между парой ЧД, формирующих два входа в червоточину. Если правильно соединить две ЧД, то нечто, брошенное в одну из них, быстро пролетит по червоточине, и после определённых событий во внешней вселенной, выскочит из второй. Интересно, Что Гао, Джафферис и Уолл отметили, что их сценарий математически эквивалентен квантовой телепортации — это ключ к квантовой криптографии, и её уже демонстрировали в лаборатории.
Джон Прескил [John Preskill], эксперт по ЧД и квантовой гравитации из Калтеха, говорит, что новые проходимые червоточины стали неожиданностью, и имеют последствия для парадокса информации и внутренностей ЧД. «Что мне нравится больше всего, — говорит он, — так это то, что наблюдатель может войти в ЧД, а затем убежать оттуда и рассказать, что он видел». Это говорит о существовании внутренностей ЧД и о том, что всё, что в них попадает, должно выйти обратно.
Загадочное уравнение
Работа над новой червоточиной началась в 2013-м, когда Джафферис присутствовал на интересном докладе на конференции по струнам в Южной Корее. Докладчик, Хуан Малдасена [Juan Maldacena], профессор физики из Института передовых исследований в Принстоне, на основании различных косвенных свидетельств и рассуждений заключил, что ER = EPR. То есть, червоточины между удалёнными точками пространства-времени, простейшие из которых называют мостами Эйнштейна-Розена, или ER, эквиваленты (хотя и не самым очевидным образом) запутанным квантовым частицам, также известным, как пары Эйнштейна-Розена-Подольски, EPR. Гипотеза ER = EPR, выдвинутая Малдасеной и Леонардом Сасскиндом из Стэнфорда, пытается решить современную версию печально известного парадокса информации чёрных дыр, связывая геометрию пространства-времени, управляемую ТОТ, с мгновенными квантовыми связями между разделёнными расстоянием частицами, которые Эйнштейн назвал «пугающим дальнодействием».
Парадокс неясно маячил вдали с 1974 года, когда британский физик Стивен Хокинг определил, что ЧД испаряются — медленно излучают тепло в виде частиц, известное, как «излучение Хокинга». Хокинг подсчитал, что это тепло получается совершенно случайным; в нём не содержится информации о содержимом ЧД. И когда ЧД перестаёт существовать, то же происходит с записью Вселенной о всём, что попадало внутрь ЧД. Но это нарушает принцип унитарности, основу квантовой теории, утверждающий, что при взаимодействии частиц информация о них никогда не теряется, лишь перемешивается — так, что если обратить стрелу времени квантовой эволюции Вселенной вспять, вы увидите, как вещи вновь возникают, точно воссоздавая прошлое.
Дэниел Джафферис, адъюнкт-профессор физики в Гарвардском университете
В унитарность верят почти все, поэтому информация просто обязана убегать из ЧД — но как? За последние пять лет некоторые теоретики, в частности, Джозеф Полчински из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре утверждали, что ЧД — это пустые оболочки без всякого наполнения, и Элли Эрроуэй, ударившись о горизонт событий ЧД, попала бы на «файервол» и излучилась бы обратно.
Многие теоретики верят в существование внутренностей ЧД (и более плавные переходы сквозь их горизонт), но чтобы понять их, им необходимо разобраться с судьбой информации, попадающей внутрь. Это необходимо для построения работающей квантовой теории гравитации, давно разыскиваемого объединения квантовой физики и описания пространства-времени, наиболее остро проявляющегося внутри ЧД, где чрезвычайная гравитация работает на квантовых масштабах.
Квантовая гравитация и привела Малдасену, а за ним и Джаффериса, к идее ER = EPR и червоточинам. Предполагаемая взаимосвязь между туннелями в пространстве-времени и квантовой запутанностью, описываемая гипотезой, совпала с популярным в последнее время представлением о том, что пространство сшито при помощи квантовой запутанности. Судя по всему, у червоточин есть особая роль в сшивании пространства-времени и в убегании информации из ЧД — но как это может работать? Когда Джафферис услышал доклад Малдасены о его загадочном уравнении и его аргументы, ему было известно, что стандартная червоточина ER нестабильна и непроходима. Но он задумался над тем, что могла означать двойственность уравнения Малдасены для проходимой червоточины — такой, с которой Торн и другие игрались несколько десятков лет назад. Через три года после доклада в Южной Корее Джафферис с его коллегами Гао и Уоллом представили свой ответ. Их работа расширяет идею ER = EPR, приравнивая не стандартную червоточину и пару запутанных частиц, а проходимую червоточину и квантовую телепортацию: открытый в 1993 году закон, позволяющий квантовой системе исчезать и вновь появляться невредимой в другом месте.
Малдасена прочитал работу Гао, Джаффериса и Уолла: «Мне показалось, что это очень хорошая идея, одна из тех, которая кажется очевидной, когда ты о ней узнаёшь». Малдасена с помощниками, Дугласом Стэнфордом и Жен-Бинем Янгом сразу же начали изучать вновь открывшиеся последствия этой идеи для информационного парадокса ЧД; их новая работа появилась в апреле. Сасскинд и Йинь Жао из Стэнфорда вслед за ними выпустили работу по поводу телепортации через червоточины в июле. Червоточины «рисуют интересную геометрическую картину процесса телепортации, — сказал Малдасена. — Сообщение перемещается по червоточине».
Что случится при падении в чёрную дыру
Ныряя в червоточины
В своей работе «Ныряя в проходимые червоточины«, опубликованной в журнале Fortschritte der Physik, Малдасена, Стэнфорд и Янг рассматривают новый тип червоточин, соединяющих две чёрные дыры: родительскую ЧД и дочернюю ЧД, сформированную из половины излучения Хокинга, испускаемого родительской в процессе испарения. Две системы запутаны по максимуму. Тогда судьба информации более старой ЧД ясна: она проникает через червоточину в дочернюю ЧД.
Во время интервью в своём тихом офисе в Институте перспективных исследований Малдасена, неразговорчивый американец аргентинского происхождения, имеющий за плечами несколько влиятельных идей, описал свои радикальные размышления. Справа от испачканной мелом доски Малдасена нарисовал не очень внятное изображение двух чёрных дыр, объединённых проходимой червоточиной. Слева он набросал эксперимент по квантовой телепортации, выполняемый знаменитыми вымышленными экспериментаторами Алисой и Бобом, обладающими квантово запутанными частицами a и b, соответственно. Допустим, Алиса хочет телепортировать кубит q Бобу. Она подготавливает комбинированное состояние q и а, измеряет его (сводя всё к паре классических битов, 1 и 0), и отправляет результат измерения Бобу. Он затем может использовать его как ключ для работы над b с целью воссоздания состояния q. И вот уже единица квантовой информации телепортирована из одного места в другое.
Малдасена повернулся к правой части доски. «Операции можно производить с парой ЧД, эквивалентных тому, что я рассказал о квантовой телепортации. И в этой картинке сообщение реально проходит через червоточину».
Хуан Малдасена
Допустим, Алиса швыряет кубит q в ЧД А. Затем она измеряет частицу излучения Хокинга а и отправляет результат измерения через внешнюю часть Вселенной Бобу, который может использовать это знание для работы над b, частицей излучения Хокинга, исходящей из ЧД B. Работа Боба воссоздаёт q, которая, кажется, выскочила из дыры B, и идеально совпадает с тем, что упало в A. Именно поэтому некоторые физики испытывают по этому поводу такое радостное возбуждение: червоточина Гао, Джафферис и Уолл позволяет воссоздавать информацию из ЧД. В их работе они разместили свою червоточину в отрицательно искривлённом пространстве-времени, которое часто служит полезным, хотя и нереалистичным, полем для экспериментов в теории квантовой гравитации. Однако идея червоточин распространяется и на реальный мир, при условии, что две ЧД соединены правльным способом: «Они должны быть причинно связаны, и тогда природа описанных нами взаимодействий будет простейшим случаем, который только можно представить», — объясняет Джафферис. Если позволить излучению Хокинга одной ЧД падать в другую, то две ЧД становятся запутанными, и квантовая информация, падающая в одну из них, исходит из другой.
Формат квантовой телепортации запрещает использовать проходимые червоточины как машины времени. Всё, что проходит через червоточину, должно подождать, пока сообщение Алисы дойдёт до Боба по внешней Вселенной, пока оно сможет выйти из ЧД Боба — поэтому червоточина не обеспечивает сверхсветовой скорости, которую можно было бы использовать для перемещений во времени. Судя по всему, проходимые червоточины могут существовать в природе, пока они не дают преимуществ в скорости. «Проходимые червоточины — это как банковский займ, — пишут в своей работе Гао, Джафферис и Уолл. — Его можно получить только тогда, когда ты достаточно богат для того, чтобы он не был тебе нужен».
Наивный осьминог
Хотя проходимые чёрные дыры не произведут революцию в космических путешествиях, Прескилл утверждает, что новое открытие даёт «многообещающее разрешение» вопроса файервола чёрных дыр, предполагая, что на их горизонте нет никакого файервола. Прескилл сказал, что открытие спасает «комплементарность чёрных дыр», означающую, что внутренность и внешняя часть ЧД не являются двумя разными системами, а служат двумя разными, но дополняющими друг друга способами рассматривать одну и ту же систему. Если комплементарность сохраняется, как предполагают многие, тогда при переходе через горизонт событий ЧД из одной части Вселенной в другую Элли Эрроуэй из «Контакта» не почувствовала бы ничего странного. Судя по всему, что при определённых условиях она могла бы даже проскочить через червоточину Гао-Джаффериса-Уолла.
Червоточина охраняет и унитарность — принцип отсутствия потерь информации — по крайней мере в случае тех запутанных ЧД, которые в данный момент изучают. Всё, что падает в одну ЧД, исходит из другой в виде излучения Хокинга, как говорит Прескилл, которое затем «можно рассматривать как очень сильно зашифрованную версию внутренностей ЧД».
Подводя открытие к логическому заключению, Прескилл считает, что должно быть возможным (по крайней мере, для бесконечно продвинутой цивилизации» повлиять на внутренности одной из этих ЧД, манипулируя её излучением. Это «звучит безумно», как писал он в одном из писем, но «может иметь смысл, если мы вспомним, что излучение, запутанное с ЧД — EPR — связано с внутренностями ЧД червоточинами — ER. Тогда манипуляции с излучением могут отправить сообщение, которое можно будет прочесть внутри ЧД! Но нам предстоит ещё много работы перед тем, как мы сможем подробно описать эту картину».
На пути к обобщению новых открытых червоточин до описания судьбы всей квантовой информации и значения уравнения ER = EPR лежит много препятствий.
Набросок «осьминога», объясняющего идею ER = EPR
В работе Малдасены и Сасскинда, доказывающей, что ER = EPR, есть набросок, получивший прозвище «осьминог»: ЧД с похожими на щупальца червоточинами, ведущими к удалённым частицам Хокинга, излученным из неё. Автор объясняет, что набросок иллюстрирует «запутанность между ЧД и излучением Хокинга. Мы считаем, что эта запутанность приводит к внутренней геометрии ЧД».
Но, согласно Мэтту Виссеру, математику и эксперту по ОТО из Университета королевы Виктории в Веллингтоне, изучающему червоточины с 1990-х, не нужно понимать набросок с осьминогом буквально. Червоточины, сформировавшиеся до отдельных частиц Хокинга, будут настолько тонкими, что через них не пролезут кубиты. «Проходимая червоточина прозрачна только для волновых пакетов, меньших её радиуса по размеру, — поясняет Виссер. — Большие волновые пакеты будут просто отскакивать от мелких червоточин, и не будут переходить по ним на другую сторону».
Стэнфорд, соавтор недавней работы Малдасены и Янга, признаёт, что это может стать проблемой в простейшей интерпретации идеи ER = EPR, в которой у каждой частицы Хокинга есть своя червоточина-щупальце. Однако более абстрактная интерпретация идеи, которую он с коллегами обдумывал, не страдает от этого недостатка. «Мы думаем, что для восстановления информации из излучения Хокинга при помощи проходимых червоточин необходимо собрать излучение Хокинга в одном месте и работать с ним достаточно сложным способом». Такое коллективное измерение выдаёт информацию о частицах, упавших в ЧД ранее; как он говорит, у него появляется «крупная проходимая червоточина, составленная из небольших бесполезных щупалец. Затем информация передаётся по этой крупной червоточине». Малдасена добавил, что, проще говоря, у теории квантовой гравитации может появиться новая, обобщённая идея геометрии, в которой ER равняется EPR. «Мы думаем, что квантовая гравитация должна подчиняться этому принципу, — говорит он. — Мы рассматриваем это больше как ориентир для теории».
В научно-популярной книжке 1994 года » Черные дыры и складки времени» Кип Торн восхищается стилем рассуждений, используемым в исследованиях червоточин. «Никакие мысленные эксперименты не дают такой нагрузки на законы физики, как те, что появились из-за телефонного звонка Карла Сагана, — пишет он, — мысленные эксперименты, задающие вопрос: „Что с точки зрения законов физики может себе позволить бесконечно продвинутая цивилизация, а что не может?“
Источник
