[Перевод] Чёрные дыры и академические стены

Раньше упасть в чёрную дыру было просто: вы бы ничего не заметили. Но может ли на вашем пути появиться стена?

Согласно Эйнштейну, вы бы не заметили момент пересечения горизонта событий чёрной дыры. Но теперь исследователи доказывают, что на вашем пути может появиться огненная стена (или кирпичная). Сошли ли они все разом с ума?

Tl;dr: Ага.

Иногда очень сложно понять, зачем кто-то будет терять время на решение настолько академической задачи, как потеря информации в чёрной дыре. И это говорю я, проведшая основательную часть последнего десятилетия в размышлениях о чёрных дырах. Разве физикам нечем больше заняться в мире, страдающем от войн и болезней, или хотя бы грамматических ошибок? Что двигает этими исследователями, кроме надежды попасть в заголовки благодаря решению 40-летней головоломки?

Многие физики в наше время работают над такими темами, как потеря информации в чёрных дырах, которые кажутся оторванными от реальности. Чёрным дырам удастся уничтожить информацию после полного испарения, а этого не случится в ближайшие 100 миллиардов лет. Движет этими учёными не практическое применение их идей, а осознание того, что сегодня кто-то должен проложить путь в науке, который станет нужным через сто, тысячу или десять тысяч лет. И читая заголовки новостей, описывающие творящийся бардак, я думаю, что неземная чистота этого аргумента и неизбежная логика, ведущая к парадоксу, только добавляет ему веса.

А ещё меня можно увлечь головоломками из проволоки.

Если потеря информации в чёрных дырах – это космический детектив, тогда квантовая теория – это жертва. Стивен Хокинг показал в начале 1970-х, что комбинация квантовой теории с гравитацией даёт нам тепловое излучение чёрных дыр. Это «излучение Хокинга» состоит из частиц, которые не содержат никакой информации, кроме температуры. И когда чёрная дыра полностью испаряется, вся информация о том, что в неё упало, уничтожается. Но такое уничтожение информации несовместимо с самой квантовой теорией, используемой для доказательства этого вывода. В квантовой теории все процессы обратимы во времени, но испарение чёрной дыры, судя по всему, необратимо.

И это серьёзная головоломка для физиков, поскольку она показывает, что гравитация и квантовая теория не желают комбинироваться. Объяснить проблему, апеллируя к неизвестной теории квантовой гравитации, также не получилось. Излучение Хокинга – это не квантовый гравитационный процесс, и хотя квантовая гравитация в какой-то момент становится важной на последних стадиях испарения чёрной дыры, утверждается, что к тому времени уже поздно извлекать всю информацию.

Ситуация серьёзно поменялась к концу 1990-х, когда Малдасена предположил, что определённые теории гравитации эквивалентны калибровочным теориям. Это знаменитое «соответствие калибровки и гравитации» было открыто в струнной теории, и хотя математически оно не доказано, оно уничтожает проблему потери информации в чёрной дыре, поскольку что бы ни случилось во время испарения чёрной дыры, это эквивалентно описывается в калибровочной теории. А калибровочная теория не убивает информацию, в связи с чем и проблемы никакой нет.

И хотя соответствие калибровки и гравитации убедило многих, включая и самого Стивена Хокинга, что чёрные дыры не уничтожают информацию, оно не пролило свет на то, как именно информация ускользает из чёрной дыры. Исследования продолжились, но среди теоретических физиков распространилась самоуспокоенность. Струнная теория вроде как разрешила парадокс, и остался лишь вопрос времени, когда мы поймём его детали.

Но всё пошло не так. Вместо этого в 2012 году группа физиков, Альмгейри, Марольф, Полчински и Салли (Almheiri, Marolf, Polchinski, Sully – AMPS) показала, что это «решение» было противоречивым. Они показали, что четыре предположения, в правильность которых верит большинство струнных теоретиков, не могут одновременно выполняться. Вот эти предположения:

1. Чёрные дыры не уничтожают информацию.
2. Стандартная модель физики частиц и ОТО работают при приближении к горизонту событий.
3. Количество информации, хранящейся в чёрной дыре, пропорционально площади её поверхности.
4. Наблюдатель, пересекающий горизонт событий, не заметит этого.

Второе предположение перефразирует утверждение, что излучение Хокинга – это не эффект квантовой гравитации. Третье – вывод из подсчётов микросостояний чёрной дыры в теории струн. Четвёртое – принцип эквивалентности Эйнштейна. Короче говоря, AMPS говорят, что одно из этих предположений неверно. Один из свидетелей лжёт, но кто именно?

В своей работе AMPS предположили, возможно, не очень серьёзно, отказаться от наименее оспариваемого предположения: четвёртого. Если отказаться от №4, трое остальных приведут к тому, что наблюдатель, падающий в чёрную дыру, наткнётся на «стену огня», и сгорит к чертям. Однако, принцип эквивалентности – это догма ОТО, и отказываться от него можно только в качестве последнего средства.

Для непосвящённого наблюдателя покажется очевидным, что лжёт 3-й свидетель. В отличие от других предположений, которые следуют из уже известных и с большой точностью проверенных теорий, номер 3 следует из непроверенной. Так что если уж выбрасывать одно из предположений, то, возможно, это будет предположение, что теория струн права насчёт информационного наполнения чёрных дыр. Но эта возможность, естественно, не очень популярна среди струнных теоретиков.

Не прошло и нескольких месяцев, как раздел теоретической физики высоких энергий сайта arxiv был забит попытками помирить перечисленные предположения. Предлагались абсолютно все решения, от принятия теории огненной стены до мультивселенных и сложных мысленных экспериментов, демонстрирующих, что наблюдатель, падающий в чёрную дыру, не заметит, что сгорит. Да уж, вот вам и современная физика.

Я тоже внесла свой вклад в это обсуждение. Я сочла всех свидетелей убедительными, ни один из них не производил впечатления лжеца. Приняв это, я осознала, что их видимая несовместимость происходила из пятого, не озвученного предположения, использовавшегося в доказательстве. Так же как, вроде бы противоречивые показания могут внезапно обрести смысл, когда вы осознаете, что жертва была убита не там, где нашли тело, так и эти четыре утверждения обретают смысл, когда вам не нужно сохранять информацию определённым образом (таким, что окончательное её состояние не будет «типичным»). Вместо этого, требование локального сохранения энергии около горизонта событий делает огненную стену невозможной, и одновременно показывает, как именно испарение чёрной дыры остаётся совместимым с квантовой теорией.

Мне кажется, моя работа никому не понравилась. Возможно, из-за того, что в ней есть непонятная картинка. Или из-за вывода о том, что где-то недалеко от горизонта событий существует граница, меняющая квантовую теорию, причём так, что это незаметно для любого наблюдателя, находящегося вблизи чёрной дыры. Эффекты, производимые этой границей, измерить возможно, но только на большом расстоянии.

И хотя моё предположение решало головоломку с огненной стеной, она не решала проблему потери информации в чёрной дыре. Я упомянула в примечании, что в принципе можно использовать эту границу для передачи информации исходящему излучению, но это бы всё равно не объяснило, как информация вообще доберётся до этой границы.

После публикации работы я снова поклялась больше не задумываться об испарении чёрной дыры. Но на прошлой неделе в arxiv появился препринт от ‘т Хоофта. Это один из первых людей, возившихся с термодинамикой чёрной дыры, и в своей новой работе ‘т Хоофт предполагает, что горизонт событий чёрной дыры работает как граница, отражающая информацию — «кирпичная стена», как это описал New Scientist. Идея была вдохновлена недавним предположением Стивена Хокинга о том, что большая часть падающей в чёрную дыру информацией сохраняется на горизонте. Если это так, и можно дать горизонту шанс поработать, то информация вновь сможет покинуть чёрную дыру.

Конечно, я не считаю кирпичи большим улучшением по сравнению с огнём, и уверена, что эта идея не взлетит. Но после всей этой запутанности она может помочь нам лучше понять то, как именно горизонт взаимодействует с излучением Хокинга и как ему удаётся кодировать в нём информацию.

Перенесёмся на тысячу лет вперёд. Там нас там ждёт теория квантовой гравитации, позволяющая понимать поведение пространства и времени на кратчайших расстояниях, и, как многие надеются, источник самой квантовой теории, или даже материи. Прогресс идёт шажками, и иногда история водит нас кругами, но физиков поддерживает знание того, что решения должно существовать, и что убийца информации будет пойман. Никакой уловки в чтении последней страницы книги нет – она ещё не написана.