Самый известный парадокс физики близится к своей разгадке

Черная дыра (ЧД), поглощая любое разнообразие частиц, ликвидирует все их как бы индивидуальные параметры типа их масс, заряда, спина, четности и пр. свойств и оставляет лишь интегральные данные о себе – массу, заряд и момент вращения. Иначе говоря, в ЧД теряется информация, в то время как квантовая механика с ее законами сохранения этого не допускает.ЧД ставит перед нами своего рода преграду перед интенцией на познаваемость мира. Сама интенция идет от Гегеля — вплоть до достижения абсолютной истины. В материалистическом изложении эта истина достигается асимптотически, что тоже неплохо: дескать непознаваемых вещей нет, есть пока не познанные. И вот ЧД как раз и ставит этой уверенности абсолютную преграду: есть непознаваемое! Речь идет о потере при падении в ЧД всех свойств частиц, кроме их массы. Выходят теряются качественные показатели микрообъектов, квантовые числа. То есть, мы ничего не можем сказать о материи, канувшей в ЧД.

Пример: если в одну черную дыру попадет антивещество (то есть, где протоны отрицательны, а электроны положительны), а в другую — обычное вещество, то в черных дырах и это различие исчезнет, мы не можем отличить черную дыру из вещества от такой же из антивещества.

Стивен Хокинг давно утверждал, что исчезновение информации в черной дыре нельзя согласовать с законами квантовой механики.В действительности на сфере Швардшильда и под ней материи нет – она вся «упала» в сингулярность. А сингулярность – как бы не материальный объект. И даже массу черной дыры можно (и нужно) истолковывать как просто изменение геометрии поблизости от нее. Геометрия рядом с ней становится существенно неэвклидовой, так, что прямая линия делается на ее эргосфере замкнутой окружностью. Таким образом, черная дыра – это именно дыра в пространстве. Это обстоятельство только усугубляет проблему потери информации частицами, упавшими в ЧД.Квантовая механика нам говорит, что частицы обладают квантовыми числами, которые подчиняются законам сохранения, например, сохранению барионного или лептонного заряда. А из черной дыры могут выйти в результате испарения только фотоны, стало быть, барионный заряд исчез. То есть, исчезла исходная информация, которая была в природе и нарушились законы сохранения, кои ни в коем случае не должны нарушаться. Вот почему недовольный этим обстоятельством Хокинг и выдвинул идею, что информация в черной дыре сохраняется, но располагается как бы с внутренней поверхности дыры (горизонта событий) и мы просто не можем ею воспользоваться. А на поверхности горизонта событий черной дыры она хранится в форме голограммы. Предположение Хокинга позволяет объяснить исчезновения информации в черной дыре.

Биофизик Питер Медавар (Peter Medawar) в 1984 г. под это дело даже постулировал закон сохранения информации.

Ну, и каким образом извлечь из ЧД пропавшую информацию, коли она должна сохраняться? Оказывается, эта информация снова станет доступной при полном испарении ЧД . Для больших ЧД , вот таких, как сидит в М 87, время ее испарения превысит все мыслимое время существования Вселенной. Но это и означает, что ЧД непознаваема, и, к тому же, уносит с собой в могилу информацию о всей поглощенной материи.Первый прорыв в решении парадокса сделал Хокинг в своей теории испарения ЧД. За счет квантовых эффектов туннелирования вблизи горизонта событий из вакуума (из виртуальных частиц) происходит рождение пар реальных частиц (в основном – фотонов), одна из которых падает в ЧД, а другая уходит из нее. Стало быть, ЧД отдает из своей гравитационной могилы поглощенное ранее и, таким образом, восстанавливается утраченная информация. Но это только в принципе, потому что поглощались разные частицы, а излучаются в основном фотоны. То есть, проблема потери информации оставалась. Несколько слов о первом снимке черной дыры.

Расстояние до этой черной дыры – около 50 млн световых лет, или почти 500 квинтиллионов (500 миллионов триллионов) километров. Чтобы ее сфотографировать, потребовалась сеть из восьми наземных радиотелескопов по всему земному шару, работающих вместе, как если бы они были одним телескопом размером со всю нашу планету.

Соединить так много разных телескопов на земле и в космосе, чтобы все они синхронно “смотрели” на один и тот же небесный объект, – огромное дело само по себе.Непосредственно наблюдать чёрные дыры раньше не удавалось, основные причины – они находятся очень далеко и имеют относительно небольшие размеры. В итоге угловой размер чёрной дыры может составлять несколько десятков микросекунд и даже меньше (одна микросекунда примерно соответствует угловому размеру типографской точки на Луне, которую наблюдают с Земли). Наблюдениям сильно мешают облака газа, пыль и другие объекты, рассеивающие радиоизлучение.

Открытие стало возможно благодаря использованию восьми синхронно работающих радиотелескопов, объединенных в единую сеть, так называемый радиоинтерферометр. Это позволило физикам получить изображение раскаленного газа, падающего на чёрную дыру – кольцевой структуры с темным пятном в середине. “То, что мы видим [на снимке], – больше по размеру, чем вся наша Солнечная система, – пояснил Би-би-си профессор Университета Неймгена в Нидерландах Хейно Фальке. – Масса этой черной дыры превышает солнечную в 6,5 млрд раз. Это одна из самых массивных черных дыр, которые в принципе могут существовать, – добавил профессор. – Абсолютный монстр, чемпион Вселенной в сверхтяжелом весе”.

Эту важную новость для всего научного мира объявили журналистам в 2019 г. на пресс-конференции, которую одновременно провели сразу в шести городах: в Брюсселе, Вашингтоне, Сантьяго-де-Чили, Тайбэе, Токио и Шанхае – на четырех языках.

***

Попалась свежая (29 октября 2020 г.), большая и не совсем вразумительно написанная статья, но в серьезном источнике Quantamagazine и на важную тему. Даю краткий реферат этой статьи The Most Famous Paradox in Physics Nears Its End https://www.quantamagazine.org/the-black-hole-information-paradox-comes-to-an-end-20201029/

Работа началась всерьез в октябре 2018 года, когда Ахмед Альмхейри из Института перспективных исследований изложил процедуру изучения испарения черных дыр. Альмхейри применил концепцию, впервые разработанную Хуаном Малдасена в 1997 г., ныне работающим в IAS.

Хотя этот подход предсказал новые эффекты по периметру ЧД, внутренняя часть оставалась строго изолированной. Физики полагали, что Хокинг выполнил полуклассический расчет. Любой дальнейший прогресс также должен рассматривать гравитацию как квантовую. Похоже, что частицы, которые сбрасывает ЧД , не несут никакой информации о внутреннем содержимом. Если в нее упадет 100-килограммовый космонавт, масса дыры вырастет на 100 килограммов. Тем не менее, когда дыра испускает эквивалент 100 килограммов излучения, это излучение полностью неструктурировано. Ничто в отношении излучения не говорит о том, исходило ли оно от космонавта или от свинцовой чушки.

В какой-то момент черная дыра испускает последнюю унцию и перестает существовать. Все, что осталось, – это большое аморфное облако частиц, которое беспорядочно носится туда-сюда. Было бы невозможно восстановить то, что когда-то попало в ЧД. Это делает образование и испарение черных дыр необратимым процессом, который, похоже, противоречит законам квантовой механики.

Пейдж был встревожен, потому что необратимость нарушила бы фундаментальную симметрию времени. В 1980 году он порвал со своим бывшим ментором Хокингом и утверждал, что черные дыры должны высвобождать или, по крайней мере, сохранять информацию. Это вызвало раскол среди физиков. «Большинство общих релятивистов, с которыми я разговаривал, соглашались с Хокингом, – сказал Пейдж. «Но физики элементарных частиц были склонны со мной соглашаться».

Он рассмотрел аспект процесса, которым почти не уделяли внимания: квантовую запутанность. Испускаемое излучение поддерживает квантово-механическую связь с местом своего происхождения. Если вы измеряете излучение или черную дыру отдельно, это выглядит случайным, но если вы рассматриваете их вместе, они обнаруживают закономерность. Это похоже на шифрование данных с помощью пароля. Данные без пароля – тарабарщина. Пароль, даже самый хороший, тоже не имеет смысла. Но вместе они раскрывают информацию. Возможно, подумал Пейдж, информация может выйти из черной дыры в аналогичной зашифрованной форме.

Пейдж вычислил, что это будет означать для общего количества запутанности между черной дырой и излучением, величины, известной как энтропия запутанности. В начале всего процесса энтропия запутывания равна нулю, поскольку черная дыра еще не испустила никакого излучения, с которым можно было бы запутаться. В конце процесса, если информация сохраняется, энтропия запутанности снова должна быть равна нулю, поскольку черной дыры больше нет. «Мне стало любопытно, как изменится энтропия излучения между ними», – сказал Пейдж.

Вначале, когда излучение истекает, энтропия запутанности растет. Пейдж пришел к выводу, что эта тенденция должна измениться. Энтропия должна перестать расти и начать падать, если она должна достичь нуля к конечной точке. Со временем энтропия запутанности должна следовать кривой, имеющей форму перевернутой буквы V. Пейдж подсчитал, что это изменение должно произойти примерно на полпути процесса, в момент, который теперь известен как время Пейджа. На тот момент черная дыра по-прежнему огромна – уж точно далеко от субатомного размера, при котором могли бы проявиться любые предполагаемые экзотические эффекты.

Анализ Пейджа вынудил называть проблему информации о черной дыре парадоксом, а не просто загадкой. Он обнажил конфликт в рамках полуклассического приближения.

Дэвид Уоллес, физик из Университета Питтсбурга, проложил путь к решению. Он показал, что если энтропия запутанности следует кривой Пейджа, то информация выходит из черной дыры. Теперь физикам оставалось только вычислить энтропию запутанности. Если бы они смогли это сделать, они бы получили прямой ответ. Следует ли энтропия запутанности перевернутой букве V или нет? Если это так, черная дыра сохраняет информацию, а это значит, что физики элементарных частиц были правы. Если этого не происходит, черная дыра уничтожает или закупоривает информацию, и стандартные релятивисты могут приготовить себе первый наградной торт.

Показав, что энтропия запутанности отслеживает кривую Пейджа, команда смогла подтвердить идею о высвобождении информации из черных дыр. Она выходит в зашифрованном виде, и опознать ее можно благодаря квантовой запутанности. Фактически, информация настолько зашифрована, что выглядит так, как будто черная дыра ничего не отдала. Но в конце концов черная дыра проходит переломный момент времени, когда информацию можно расшифровать. Исследование, опубликованное в мае 2019 года, показало все это с использованием новых теоретических инструментов, которые количественно определяют запутанность геометрическим способом.

Согласно уравнениям, частицы глубоко внутри черной дыры больше не являются частью дыры, а являются частью излучения. Они не вылетели наружу, а просто себя «переназначили». Это важно, потому что эти внутренние частицы обычно вносят вклад в энтропию запутанности между черной дырой и излучением. Если они больше не являются частью черной дыры, они больше не вносят вклад в энтропию, что объясняет, почему она начинает уменьшаться.

Авторы окрестили внутреннее ядро излучения «островом» и назвали его существование «удивительным». Что означает, что частицы находятся в черной дыре, но не в черной дыре? Подтвердив, что информация сохраняется, физики устранили одну загадку только для того, чтобы создать еще большую. Когда я спрашивал Альмхейри и других, что это означает, они туманно смотрели вдаль, на мгновение теряя дар слова.

Исследователи использовали концепцию, которую Ричард Фейнман разработал в 1940-х годах, известную как интеграл по траекториям, это математическое выражение основного квантовомеханического принципа: все, что может случиться, случается. В квантовой физике частица, идущая из точки A в точку B, проходит все возможные пути, которые складываются во взвешенную сумму.

Вот что мы бы увидели, если бы не повезло оказаться недалеко от ЧД.

По этим расчетам, излучение богато информацией. Каким-то образом, измерив излучение, вы сможете узнать, что упало в черную дыру. Но каким именно образом?Теоретики из группы Западного побережья вообразили, что излучение отправляется в квантовый компьютер. В конце концов, компьютерное моделирование – это физическая система. Итак, физики представили, как собирают все излучение, вводят его в массивный квантовый компьютер и запускают полное моделирование черной дыры.

И это привело к замечательному повороту в истории. Поскольку излучение сильно запутано с черной дырой, из которой оно исходит, квантовый компьютер также сильно запутывается с дырой. В рамках моделирования запутанность трансформируется в геометрическую связь между смоделированной черной дырой и оригиналом. Проще говоря, они соединены кротовой норой – червоточиной. «Есть физическая черная дыра, а затем есть смоделированная в квантовом компьютере, и может быть точная копия червоточины, соединяющей их», – сказал Дуглас Стэнфорд, физик-теоретик из Стэнфорда и член команды Западного побережья. Эта идея является примером предложения Малдасены и Леонарда Сасскинда из Стэнфорда в 2013 году о том, что квантовую запутанность можно рассматривать как червоточину. Червоточина, в свою очередь, представляет собой скрытый туннель, через который информация может выйти изнутри ЧД наружу.

Кротовые норы настолько глубоко погребены в уравнениях, что их связь с реальностью кажется незначительной, но все же они имеют ощутимые последствия. «Трудно ответить, что физично, а что нефизично, – сказал Рагху Махаджан, физик из Стэнфорда, – но в этих червоточинах есть что-то совершенно физически верное».

Все это укрепляет догадку многих физиков о том, что пространство-время не является корневым уровнем природы, а возникает из некоего основного механизма, который не является пространственным или временным.

Физики не ожидают разрешить информационный парадокс без полной квантовой теории гравитации.

---

Валерий ЛЕБЕДЕВ,
Бостон, США
Для “RA NY”