[Перевод] Что звуковые чёрные дыры могут рассказать нам о настоящих

Может ли жидкий аналог чёрной дыры направить физиков к открытиям в области квантовой гравитации, или же это ненужное отвлечение?

«red herring», т.е. «копчёная селёдка» – фразеологизм для обозначения отвлекающего манёвра (селёдка использовалась, чтобы сбить со следа охотничьих собак).

В 1972 году на лекции в Оксфордском университете молодой физик Уильям Унру попросил аудиторию представить рыбу, кричащую от страха во время преодоления водопада. Пусть вода падает так быстро, что в какой-то определённой точке обгоняет скорость звука. Тогда, после того, как рыба пройдёт эту точку, вода будет падать вниз быстрее, чем звуковые волны распространяться по ней вверх, и рыбу уже нельзя будет услышать в верховьях реки.

Унру пояснил, что нечто подобное происходит, когда вы падаете в чёрную дыру (ЧД). Когда вы приближаетесь к одному из этих сверхплотных объектов, ткань пространства-времени искривляется всё сильнее, что эквивалентно усилению гравитации, согласно ОТО Эйнштейна. В точке невозврата, известной, как «горизонт событий», кривизна пространства-времени становится столь сильной, что сигналы уже не могут выкарабкаться по ней наружу. В пределах горизонта событий остаётся даже свет, пойманный гравитацией ЧД, из-за чего ЧД невидимы.

В последующие годы ЧД – места, где ОТО и квантовая механика, две колонны современной физики, встречаются и рушатся в парадоксах – вышли из тени и стали лейтмотивами поисков всеобъемлющей теории «квантовой гравитации». Тем временем акустическая аналогия Унру оказалась даже удачнее, чем предполагалось ранее. В плодотворной работе 1981 года оп показал, что горизонт событий ЧД и звуковой горизонт в системах, подобных водопаду – которые теперь называют звуковыми чёрными дырами (ЗЧД) – можно описать идентичными уравнениями. Учитывая эти «удивительные математические сходства», Унру, профессор в Университете Британской Колумбии сказал, что «создаётся ощущение, что если понять одну систему, это поможет вам понять другую».

Исследователи начали углубляться в физику ЗЧД в поисках подсказок насчёт реальных ЧД. И в последние годы они начали создавать ЗЧД в лабораториях и придумывать всё более сложные эксперименты с аналогиями. Этим летом Джефф Стейнхауэр [Jeff Steinhauer] из Техниона (Хайфа) сообщил об интересной находке: обнаружении звукового аналога излучения Хокинга, гипотетического явления, связанного с ЧД, предсказанного Стивеном Хокингом в 1974 году.

Предсказание Хокинга о тепловом излучении ЧД, благодаря которому они со временем полностью исчезают, приводит к знаменитому «информационному парадоксу», спрашивающему – а что же случается с информацией о том, что попадает в ЧД. Подсчёты Хокинга говорят о потере этой информации, утекающей из Вселенной при попадании в ЧД. В этом случае рушится вся платформа квантовой механики, для которой информация служит фундаментальной и неуничтожаемой «валютой». Но если информация, как верят большинство физиков, всё-таки сохраняется, тогда Хокинг ошибается, и задачей любой теории квантовой гравитации будет нахождение неточностей в его логике. Информационный парадокс «обострил испытания, с которыми необходимо встретиться для понимания квантовой гравитации», сказал Рафаэль Боуссо [Raphael Bousso], протеже Хокинга и физик-теоретик из Калифорнийского университета в Беркли.

Важные предсказания Хокинга нельзя проверить напрямую. Излучение реальных ЧД слишком мало для того, чтобы его обнаружить. В связи с этим измерение аналогичного эффекта в ЗЧД – квантовых единиц звука, излучаемых со звукового горизонта – поднимает давно назревший вопрос: являются ли ЗЧД полными аналогиями ЧД? Конкретнее, подтверждают ли открытия Стейнхауэра подсчёты Хокинга, доказывая тем самым, что в ЧД информация пропадает?

«Все говорят, ‘Ого, отличные эксперименты!’», говорит Даниэль Фаччио [Daniele Faccio], физик из Университета Хериота-Ватта (Эдинбург), тоже изучающий ЧД. «Но я думаю, что очень многие при этом думают, ‘А что же они означают?’».

Некоторые исследователи видят непрямое доказательство существования излучения Хокинга в эксперименте Стейнхауэра. В работе, опубликованной в прошлом месяце, бывший физик, а ныне философ, Карим Тебаулт [Karim Thebault] из Бристольского университета пишет, что «аналог ЧД может заменять астрофизическую ЧД». Другие считают, что это только отвлекает учёных. Дэниел Харлоу [Daniel Harlow], физик-теоретик из Гарвардского университета посчитал эксперимент «забавной демонстрацией инженерных идей», которая «не научит нас ничему, что касается чёрных дыр».

Вопрос того, чья интерпретация окажется правильной, зависит, в общем, от того, что именно расчёты Хокинга 42-летней давности открыли нам по поводу Вселенной.

Они показали нам, что ЧД на самом деле не чёрные. Они светятся из-за случайных квантовых колебаний. Повсюду в пространстве-времени пары виртуальных частиц постоянно появляются и взаимно аннигилируют. Хокинг понял, что когда эти пары появляются на горизонте событий ЧД, одну из них может засосать, в то время как другая – убежит, что помешает их взаимному уничтожению. Убежавшая частица становится реальной, крадя энергию гравитационного поля ЧД. Падающая внутрь частица приобретает негативную энергию, в результате чего общая энергия ЧД уменьшается [на самом деле всё немного сложнее – прим. перев.]. Вот так, по одной частице ЧД постепенно исчезает из бытия, не оставляя после себя следов. Подсчёты Хокинга показывают, что это излучение будет «тепловым», состоящим из лишённого характерных черт, случайного распределения энергий, в котором не будет сохранено никаких подробностей о сколлапсировавшей звезде, сформировавшей ЧД, или о чём-либо ещё интересном, упавшем в её нутро.

Уильям Унру, физик из Университета Британской Колумбии

Вот вам и парадокс. Согласно квантовой механике, вероятность всех возможных состояний частиц Вселенной должна сохранять «унитарность», развиваясь таким образом, что прошлые состояния Вселенной в принципе могут быть определены обратной перемоткой из текущего состояния. Но если во время испарения ЧД, превращающего её в безликий газ излучения Хокинга, информация теряется, тогда прошлое Вселенной нельзя вывести из настоящего, и квантовая механика ломается.

А может, это Хокинг ошибся.

Для своих подсчётов он сделал ключевое предположение: пространство-время гладкое и продолжается за горизонтом ЧД, как это описывает ОТО. Физики считают, что это аппроксимация. Если достаточно сильно увеличить пространственно-временной континуум Эйнштейна, то появится более фундаментальная, квантовая форма гравитации. И хотя квантовая гравитация становится очень важной вблизи сверхплотного центра ЧД, известного, как сингулярность, Хокинг предположил, что этой физикой коротких расстояний в описании квантовых флюктуаций на горизонте можно пренебречь – гравитация там будет сравнительно умеренной. Согласно ОТО, на горизонте типичной сверхмассивной ЧД (такой, какие встречаются в центрах галактик) искривление пространства-времени достаточно небольшое – такое, что астронавт, пересекающий его, даже не заметит этого.

В 1981 году Унру открыл, что эту систему аппроксимации можно применить и к жидкостям. Подобно пространству-времени, жидкости кажутся непрерывными на крупных масштабах, хотя они и состоят из отдельных атомов. Унру показал, что так же, как пары частиц появляются и исчезают в пространстве-времени, вибрации, называемые «фононами», квантовые единицы звука, должны появляться в жидкостях. И когда пары фононов появляются около звукового горизонта ЗЧД, они должны разрываться и превращаться в постоянные, порождая таким образом звуковую аналогию излучения Хокинга.

Об этом явлении в августе сообщил Джефф Стейнхауэр в работе для Nature Physics, корпев, как он говорит «весь день и каждый день» только над этим с 2009 года. Он создал экзотическую жидкость под названием «конденсат Бозе-Эйнштейна» из сверхохлаждённых атомов рубидия. Он заставил её течь, и на половине пути обстреливал её из лазера, разгоняя её до сверхзвуковой скорости и создавая звуковой горизонт. Наконец, Стейнхауэр измерил квантовую запутанность между парами фононов с обеих сторон горизонта, соответствующую излучению Хокинга.

Открытия подтверждают, что жидкостная аппроксимация работает в случае с ЗЧД. «Вопрос в том, как между собой связаны аппроксимации?»,- говорит Стефан Хартмэн [Stephan Hartmann], философ физики из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. Если ЗЧД служат полной аналогией, тогда приближения Хокинга верны, горизонт событий – место непримечательное, и информация в ЧД уничтожается. А значит, вероятностные правила квантовой механики следует заменить более фундаментальной платформой. Если же приближение Хокинга неверно, тогда ЗЧД плохо подходят на роль ЧД, и квантовая гравитация каким-то образом кодирует историю ЧД в их излучении, сохраняя информацию при их испарении.

Джефф Стейнхауэр, физик из Техниона (Хайфа)

Унру считает, что приближение Хокинга верно. В 2005 году он с Ральфом Шуцхолдом [Ralf Schützhold] из Дуйсбург-Эссенского университета (Германия) показали, что излучение Хокинга вытекает из надёжных теоретических предсказаний как для ЗЧД, так и для реальных ЧД, вне зависимости от теоретических предположений о подробностях физики коротких расстояний. И мелкомасштабные свойства пространства-времени или жидкости никогда не влияют на результат подсчётов. Это значит, что приближение Хокинга ничего важного не упустило. Унру интерпретирует это так, что эффекты квантовой гравитации не могут повлиять на излучение Хокинга и спасти информацию. По его мнению, результат, полученный Стейнхауэром, добавляет доказательств того, что «это тепловое излучение – мало подверженное возмущениям явление», а, следовательно, «информация теряется».

Но большинство исследователей квантовой гравитации всё же верят, что информация сохраняется – включая Хокинга, переметнувшегося в другой лагерь в 2000-х. С их точки зрения аналог излучения Хокинга в ЗЧД ничего не говорит о реальных ЧД, поскольку они принципиально отличаются. И если жидкостная аппроксимация достаточно точна для ЗЧД, то пространство-время может не быть примерно гладким на горизонте событий ЧД. Каким-то образом квантовая гравитация изменяет горизонты – и должна делать это очень сильно, чтобы преодолеть возражения Унру и Шуцхолда по поводу надёжности излучения Хокинга. «Мы в таком положении, что одно из двух серьёзных предположений должно уступить,- говорит Боуссо. – Но мы пока ещё не уверены, чем можно заменить ОТО на горизонте».

Некоторые мысленные эксперименты предполагают, что ЧД могут быть пустыми оболочками, хранящими всю информацию, распластанную на горизонте, и проецирующими её наружу во Вселенную наподобие голограмм. В этом случае падение в ЧД будет меньше похоже на рыбу в водопаде, и больше похоже на столкновение насекомого со стеклом.

По мнению большинства, сравнение со звуковыми ЧД только подчёркивает странные свойства ЧД и теории квантовой гравитации. Харлоу считает, что ЗЧД являются не аналогами ЧД, а чем-то вроде компьютерных симуляций, обрабатывающих неправильные уравнения. Если бы вы хотели симулировать уравнения квантовой гравитации, «то вы должны были бы найти правильный ответ,- говорит он. – Сейчас же я пока не знаю, какие уравнения вам выдать».