А теперь парадоксы, скрывающие черную дыру (см. рис. 8.3), могут помочь физикам наконец построить теорию квантовой гравитации. Вернемся в 1974 год, когда Стивен Хокинг и Яаков Бекенштейн из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) показали, что черные дыры излучают фотоны и другие квантовые частицы в мучительно медленном процессе, который в конечном итоге приведет к испарению черной дыры. Хокинг заметил противоречие, которое порождала эта картина. Кажется, что излучение настолько случайно, что, как он предполагал, оно не может нести никакой информации о веществе, упавшем в черную дыру. И так как черная дыра испаряется, любая информация, попавшая в нее, должна в конце концов исчезнуть. Но это находится в непосредственном конфликте с ключевым принципом квантовой физики, утверждающим, что информацию нельзя разрушить. Так родился информационный парадокс черной дыры.
Рис. 8.3. Черная дыра в представлении художника.
Хокинг был уверен, что черная дыра разрушает информацию, и следующий шаг должна сделать квантовая физика, чей главный принцип был опровергнут. Другие были не согласны. Идея Хокинга пришла из его попыток собрать воедино общую теорию относительности и квантовую механику – настолько трудоемкий математический подвиг, что он был вынужден использовать приблизительные значения. Джон Прескилл, американский ученый, работающий в области теоретической физики, даже заключил с Хокингом пари, что черные дыры не разрушают информацию (см. ниже в блоке «Перелом в убеждениях Хокинга»).
Несколько аргументов указывали на то, что Хокинг был не прав. Один из самых убедительных исходит из размышлений: что происходит, когда испаряющаяся черная дыра становится все меньше и меньше? Если информация не может ни покинуть ее, ни разрушиться, то ее должно становиться все больше и больше, а объем должен все более и более сокращаться. Но если это так, квантовая теория утверждает, что очень легко сделать крохотную черную дыру при столкновении частиц, – и мы бы увидели их формирование в Большом адронном коллайдере, как утверждает, например, Дон Марольф – физик-теоретик из КУСБ.
А что если информация, наоборот, освобождается из черной дыры, возможно, тогда излучение Хокинга не такое однообразное? В упрощенной картине излучения Хокинга пространственно-временной вакуум постоянно производит пары виртуальных частиц, которые внезапно появляются на свет и быстро исчезают. Эта ситуация меняется рядом с горизонтом событий черной дыры, который рассматривается как место невозврата всего, что за него падает. Изредка одна из частиц пары затягивается в черную дыру, тогда как другая уходит как излучение Хокинга.
Тепло и квантовая информация
Если излучение Хокинга все же несет квантовую информацию, то это создает проблему. Информация и тепло связаны – это означает, что частицы, находящиеся прямо за границей горизонта событий, становятся колоссально энергичными, поскольку информация передается их партнерам снаружи, формируя огненную стену, достаточно горячую, чтобы сжечь что угодно и кого угодно, падающего в черную дыру.
Идея огненных стен кажется настолько нелепой, что физики начали искать другие способы передачи информации из черной дыры. Одна идея была выдвинута Стивом Гиддингсом, также из КУСБ, предположившим, что если квантовая теория ломается в окрестностях горизонта событий, то становится возможно передать информацию изнутри черной дыры к удаленным областям снаружи нее и тем самым предотвратить создание огненной стены. Но чтобы это работало, Гиддингс должен был спокойно допустить передачу информации со сверхсветовыми скоростями, запрещенную теорией относительности.
Следующим стал Джо Польчински из КУСБ. Он посчитал, что сможет решить проблему объединением модели Гиддингса с более ранней работой, проведенной Леонардом Сусскиндом из Стэнфордского университета. Сусскинд выдвинул три постулата. Первый всего лишь утверждал, что информация не теряется. Остальные два привлекают двух наблюдателей, которых зовут Алиса и Боб, приближающихся к черной дыре (чтобы узнать больше об Алисе и Бобе в другом контексте, см. главу 2). Отважная Алиса пересекает горизонт событий. Осторожный Боб остается снаружи. Сусскинд предполагает, что Боб не наблюдает ничего необычного, поскольку он сидит снаружи, и что Алиса не замечает ничего неладного, поскольку пересекает горизонт событий. Так происходит потому, что горизонт событий не является физической границей; это всего лишь обычный участок вакуума на обычном плавно искривляющемся участке пространства-времени.
Статья Польчински, Марольфа и других, опубликованная в 2012 году, доказала, что не могут быть верными одновременно все эти постулаты. Если информация не теряется, огненная стена все равно существует и Алиса оказывается поджаренной до хруста. Вот как создается стена. Скажем, частица A излучения Хокинга уходит в начале жизни черной дыры. Квантовая теория говорит, что частица A полностью запутана с другой частицей B излучения Хокинга, которая появляется позже при жизни черной дыры.
Теперь частица B – одна из пары частиц B и C, созданных у горизонта, а C упала в черную дыру. Предполагается, что пространство-время на горизонте событий не представляет из себя ничего особенного, как диктует общая теория относительности: просто щадящая гравитация и небольшая кривизна без огненной стены. Это требуется, чтобы виртуальные частицы, созданные у горизонта, были запутанными друг с другом. Так что B должна быть запутанной с C. Но поскольку раннее и позднее излучения Хокинга тоже должны быть запутанными, частица B также запутана с частицей A.
Моногамия запутанности
К сожалению, это нарушает незыблемый принцип квантовой механики, известный как принцип моногамии. Говоря простым языком, он утверждает, что частица B может быть запутана либо с частицей A, либо с частицей C, но не с обеими одновременно. Так что какая-то должна уступить. Огненная стена, наверно, сожжет общую теорию относительности. Или, может быть, квантовая механика не верна и информация не сохраняется.
Сусскинд по-прежнему скептически относится к огненным стенам, однако он утверждал, что они могут означать, что сингулярность, лежащая, как полагают, в центре черной дыры, вместо этого мигрирует к горизонту событий. Если огненные стены реально образуются, тогда пространство-время, каким мы его знаем, может кончаться на горизонте. Парадокс также может быть разрешен, если рядом с черной дырой есть что-то особенное в пространстве-времени, так что информация может быть перенесена быстрее света, как у Гиддингса, хотя это стало бы еще одним ударом для теории относительности.
Или, может быть, как на это указывает Прескилл, имеется четвертая возможность: «Ничто из вышеперечисленного, о чем мы еще не думали».
Перелом в убеждениях Хокинга
В 1997 году Джон Прескилл заключил знаменитое пари с Хокингом, поставив на то, что черные дыры не разрушают информацию. Работа, которая разрешила этот спор, началась в том же году, когда аргентино-американский физик Хуан Мальдацена использовал математику теории струн, чтобы показать эквивалентность теории гравитации внутри черной дыры квантовой теории, работающей на поверхности черной дыры.
