Що трапиться з космонавтом, який провалиться в чорну діру? Очевидно, що він помре. Але яким чином?
Це запитання призвело до “кризи основ фізики, для виходу з якого, можливо, потрібно революції”. Так про це говорили вчені.
У березні 2012 року Джозеф Полчінський (Joseph Polchinski) задумався про таку смерть — принаймні, в математичній формі. Згідно з умовами уявного експерименту, померти належало уявлюваному астронавтові, якого Полчінський «відправив» у останню подорож за горизонт подій чорної діри.
Згідно з поширеними до того часу уявленнями, герой-мученик спочатку не мав відчувати нічого особливого, навіть минувши кордон, через який назовні не може вирватися навіть світло.
Але в остаточному підсумку, через кілька годин, днів або навіть тижнів — якщо чорна діра буде достатньо великою, сила гравітаційного тяжіння, діючи на його ноги, стане значно вищою за ту, яка діє на голову. Звичайно, якщо жертва уявного експерименту буде падати в чорну дірку ногами вперед.
По мірі невідворотного наближення до центру чорної діри ця різниця буде неухильно зростати і астронавт буде розірваний на частини швидше, ніж його останки впадуть на надзвичайно щільне ядро.
Але Полчінський і декілька його учнів розповіли зовсім іншу історію. За їхніми розрахунками, квантові ефекти перетворюють горизонт подій у вируючий вир частинок, перетнути якого не дано нікому: бідолаха-астронавт просто врізався б у вогняний бар\’єр і був би спалений в одну мить.
Цей висновок, опубліковане в липні минулого року, не на жарт схвилював астрофізичне співтовариство. Існування такої “стіни вогню” спростовує один з основоположних фізичних принципів, сформульований близько століття тому Альбертом Ейнштейном, на який спирається загальна теорія відносності (ЗТВ) і теорія гравітації. Принцип еквівалентності припускає, що спостерігач, який падає в гравітаційному полі, навіть у настільки потужному, як у чорної діри, буде відчувати те ж саме, що і спостерігач, що завис у невагомості.
Прекрасно усвідомлюючи, на що вони зазіхають, Полчінскій і його колеги спробували знайти варіанти, при яких “вогненна стіна” не утвориться — і досягли успіху. Але якою ціною! Тепер “посунутися” довелося б квантовій механіці, яка описує взаємодію субатомних частинок.
Потім послідував шквал робіт, присвячених проблемі “вогненної стіни”, автори яких намагалися вирішити це протиріччя, але до єдиної думки наукове співтовариство так і не прийшло. Стів Гіддінгс (Steve Giddings), фізик із Каліфорнійського університету, описав ситуацію як «кризу основ фізики, для виходу з якого, можливо, буде потрібна революція».
І от експерти з чорних дірок, в принципі, вже готові до “революції”, зібралися в лабораторії фізики елементарних частинок поблизу Женеви — CERN. Але все ж вони сподівалися відшукати шляхи, які вислизають від вчених упродовж десятиліть єдиної теорії квантової гравітації, в рамках якої мирно співіснують всі відомі фундаментальні взаємодії.
“Ідея” вогненної стіни “вражає основи уявлень про чорні діри більшості з нас, — сказав на самому початку своєї промови на конференції Рафаель Буссе (Raphael Bousso), фахівець з теорії струн з Університету Каліфорнії. — Вона створює розрив між квантовою механікою та теорією відносності, не даючи нам жодного натяку, куди рухатися далі”.
Історія плутанини: коріння кризи почали проростати ще в 1974 році, коли Стівен Хокінг показав, що чорна діра має температуру. Квантові ефекти на кордоні горизонту подій призводять до утворення не тільки віртуальних, але і реальних пар часток-античастинних, і якщо одна з них опиниться поза обрієм подій, а інша — в середині, то перша покине чорну діру. Таким чином, чорна діра, залишена без “підживлення” ззовні, буде втрачати масу і в кінці кінців випарується.
Ці частинки — ще не “вогняна стіна” і космонавт, який перетинає горизонт подій, навіть не помітить цього випромінювання. Але робота Хокінга вперше показала, що чорні діри можуть не тільки поглинати масу і рости, як випливає з рівнянь ЗТВ. Початковий аналіз Хокінга був розширений, уточнений і до теперішнього часу прийнятий більшістю вчених. Але на його основі формулюється інформаційний парадокс, що розхитує триніжок квантової механіки, яка стверджує, що інформація не може бути знищена.
В принципі, повинна існувати можливість відновити дані про об\’єкти, що впали за горизонт подій чорної діри, спостерігаючи квантові стани вихідного випромінювання. Але Хокінг стверджує, що це випромінювання виникає випадковим чином: киньте туди кілограм породи або кілограм мікрочіпів — результат буде однаково непередбачуваний. Можна спостерігати чорну діру хоч до повного її випаровування і не дізнатися нічого ні про те, як вона сформувалася, ні про те, що туди впало.
Цей парадокс розділив фізиків на два табори: одні, як і Хокінг, стверджували, що інформація дійсно зникає зі смертю чорної діри. І якщо це суперечить законам квантової механіки, варто пошукати закони покраще. Інші, у числі яких Джон Прескілл (John Preskill) з Каліфорнійського технологічного інституту в Пасадені, залишилися лояльні до квантової механіки.
“Протягом деякого часу я дійсно намагався побудувати альтернативну теорію, яка передбачає можливість втрати інформації. Але придумати щось осмислене не вдалося ні мені, ні комусь іншому”, — цитує Попмех Прескілла.
Патова ситуація зберігалася ще протягом пари десятиліть, а в 1997 році Прескілл і Хокінг навіть уклали парі — втрачається інформація в чорній дірі чи ні.
І в тому ж році відкриття Хуана Малдасени (Juan Maldacena) з Гарварду впустило промінь світла в цей темний науковий загнаний кут. Його теорія грунтувалася на уявленні, що будь-яка тривимірна область нашого Всесвіту може бути описана за допомогою інформації, закодованої на її двовимірній межі. Багато в чому це аналогічно створенню лазерною голограмою на плоскій поверхні, при спостереженні на яку можна розрізнити об\’ємну картинку.
“Ми використовували слово” голограма “в якості метафори, — говорить Леонард Зюскінд (Leonard Susskind) зі Стенфордського університету, один з авторів данного припущення. — Але після додаткових розрахунків виявилося, що Всесвіт дійсно описується інформаційною проекцією на своєму кордоні”.
Заслуга Малдасени — конкретне математичне формулювання теорії “інформаційної голограми”, що спирається на ідеї теорії суперструн, згідно з якою всі елементарні частинки можна розглядати як вібруючі енергетичні петлі. У моделі Малдасени тривимірний Всесвіт з усіма своїми струнами і чорними дірами підпорядковується тільки гравітації, а елементарні частинки і поля на обмеженій її двовимірній поверхні “живуть” тільки за квантовими законами.
Жителі 3D-Всесвіту ніколи не побачать цю межу — він розташований нескінченно далеко, але для математики відстань не має значення: все, що відбувається в тривимірному Всесвіті може бути описано 2D-рівняннями і навпаки.
“Я виявив, що існує математичний словник, що дозволяє перекладати з мови одного з цих світів на мову іншого”, — пояснює Малдасена.
А це означає, що навіть чорна діра в 3D-світі, яка випаровується, має своє відображення в 2D, де немає гравітації, де безроздільно панують квантові закони і ніяка інформація не може бути втрачена. А якщо інформація зберігається на кордоні, вона повинна якимось чином уціліти і в тривимірному Всесвіті.
Непростий вибір: кілька років потому Дональд Марольф (Donald Marolf) з Університету Каліфорніі показав, що кожна модель квантової гравітації підкоряється одним і тим же законам — незалежно від того, грунтується вона на теорії струн чи ні.
“Комбінація робіт Малдасени і Марольфа переконала мене”, — розповідає Тед Джекобсон (Ted Jacobson) з Університету штату Меріленд, який довгий час залишався прихильником гіпотези втрати інформації. А в 2004 році Хокінг визнав, що парі програно, і передав Прескіллу енциклопедію бейсболу (ставкою була будь-яка енциклопедія на вибір переможця). Більшість фізиків вирішило, що питання вичерпано, хоча нікому так і не спало на думку, яким саме чином хокінговское випромінювання проносить інформацію через кордони чорної діри.
“Ми всі вважали, що на це має бути однозначна відповідь”, — говорить Полчінскій. Але немає. Коли він разом зі своїми учнями взявся за пошуки цієї відсутньої ланки, вчені наткнулися на черговий парадокс — той, що в кінцевому підсумку і привів до кризи теорії “вогненної стіни”.
Хокінг показав, що квантовий стан окремо взятої частинки, що вирвалася за межі чорної діри, є випадковим — так що ця частка не може нести ніякої корисної інформації. Але в середині 1990-х років Зюскінд і його колеги зрозуміли, що інформація може бути закодована в квантовому стані випромінювання в цілому. Це можливо, якщо частинки заплутані між собою, негайно вплинуть і на іншу — незалежно, як далеко один від одного вони будуть знаходитися.
“Але як таке може бути?”, — дивувався Полчінскій. Щоб частинка в принципі могла піти за обрій подій, вона повинна бути заплутана зі своїм “близнюком”, принесеним в жертву чорній дірі. А якщо Зюскінд і його прихильники мають рацію — ця частка повинна бути заплутана ще й з усім хокінговскім випромінюванням, що покинув межі чорної діри раніше. Проте один з принципів квантової механіки говорить, що квантова заплутаність допускає тільки “моногамні відносини”: одна квантова система не може бути повністю заплутана з двома і більш незалежними системами одночасно.
Значить, вирішив Полчінскій, один із зв\’язків повинен розриватися. Він припустив, що зберігається зв\’язок з хокінговскім випромінюванням, необхідним для порятунку інформації. Але не можна просто так взяти і “розплутати” частку з її двійником: це призведе до виділення енергії. Сумарна енергія таких розривів у масштабі чорної діри буде дуже велика і горизонт подій буде палахкотіти, спопеляючи наближених до нього необережних космонавтів.
Отже, наукове співтовариство було поставлено перед вибором: “стіна вогню”, що суперечить принципу еквівалентності, або втрата інформації, що порушує закони квантової механіки. Втім, Полчінський не виключав і третій варіант — банальну помилку в розрахунках. Він звернувся до Зюскінда з проханням перевірити розрахунки. На перших порах Зюскінд був упевнений, що Полчінскій помиляється, про що повідомив у критичній статті. Проте, поміркувавши, Зюскінд відкликав статтю. Він довго не міг прийти до остаточного судження, втім, як і більшість фізиків. З моменту виходу роботи Полчінского на цю тему надійшло понад чотирьох десятків публікацій, але ніхто так і не знайшов вади в логіці.
Виміряти парадокс: Даніель Харлоу (Daniel Harlow) з Прінстонського університету задався питанням, а чи може гіпотетичний астронавт, перед тим як канути в чорну діру, принести користь науці і зафіксувати прояви даного парадоксу за допомогою вимірів? Для цього довелося б спочатку розшифрувати чималу частину хокінговского випромінювання, а потім пірнути за обрій подій, щоб вивчити падаючі в чорну діру частинки. По заключені Харлоу, ні один фундаментальний закон не перешкоджає таким вимірам, але хокінговское випромінювання настільки жорстке, що на його розшифровку піде дуже багато часу — коли потрібно буде перетинати горизонт подій, чорна діра може вже випаруватися.
Знести стіну: Стів Гіддінгс (Steve Giddings) з Університету Каліфорнії не згоден миритися з існуванням парадоксу “вогненної стіни”. Він підрахував, що якщо квантова сплутаність порушується не відразу, а коли частинки встигають відлетіти на деяку відстань від горизонту подій, то виділена енергія буде набагато меншою, і ніякої “вогненної стіни” не виникне. Принцип еквівалентності дотримується, але деякі квантові закони все ж повинні бути змінені, щоб дана модель могла мати місце. Учасники зустрічі в CERN були дуже зацікавлені реальною можливістю перевірки гіпотези Гиддингса. Якщо вона вірна, то дві поєднані чорні діри можуть виробляти характерну брижі простору-часу, яка може бути виявлена за допомогою гравітаційно-хвильової обсерваторії на Землі.
Єдине, в чому вчені, спантеличені даними парадоксом, абсолютно згодні один з одним — найближчим часом проблема нікуди не дінеться. На засіданні в CERN Полчінскій позначив кілька передбачуваних стратегій вирішення протиріччя, вказавши на їх слабкі сторони.
“Мені шкода, що ви так і не змогли нічого зробити з цією стіною, — сказав він. — Але будь ласка, не залишайте свої спроби!”.
