Выход из черной дыры: путь в другую вселенную?

Смелое предположение Хокинга и почему мы до сих пор о нем говорим

Когда Стивен Хокинг впервые объявил, что черные дыры испускают тепловое излучение, он перевернул представления целого столетия: объекты, которые, как считалось ранее, навсегда скрывают любую информацию, могут медленно испаряться. Это осознание породило современный информационный парадокс: если излучение Хокинга действительно случайно, то квантовые детали всего, что упало в дыру, будут безвозвратно утрачены, а законы квантовой механики нарушатся. В последние десятилетия этот парадокс стал двигателем некоторых из самых ярких достижений теоретической физики: голографии, принципа комплементарности, вычислений запутанности и, совсем недавно, идеи «островов» запутанности, которые выносят информацию из дыры.

Почему этот парадокс имел значение

Это противоречие легко сформулировать, но оно имеет глубокие последствия. Квантовая теория настаивает на том, что физические процессы унитарны: знание настоящего в принципе позволяет восстановить прошлое. Общая теория относительности в полуклассических расчетах Хокинга, казалось, демонстрировала обратное для черных дыр. Если бы информация действительно терялась, базовые столпы физики — статистическая механика и сама квантовая теория — оказались бы под угрозой. Результатом стала многолетняя интеллектуальная борьба между сторонниками разных точек зрения: одни утверждали, что информация должна уничтожаться, другие — что она кодируется в тонких корреляциях или на горизонте событий.

От парадокса к рабочему консенсусу: информация выходит наружу

Две нити рассуждений за последние десять лет подтолкнули многих теоретиков к практическому консенсусу: эффекты квантовой гравитации, какими бы малыми они ни были, могут изменить первоначальный вывод Хокинга так, что информация не будет потеряна; а голографический подход дает четкую основу для того, как это может произойти. Расчеты с использованием идей голографического соответствия — точной эквивалентности между определенными гравитационными системами и квантовыми теориями поля меньшей размерности — показывают, что энтропия испаряющихся черных дыр следует кривой Пейджа, ожидаемой для унитарной эволюции. Другие подходы, исследующие структуру квантовой запутанности излучения, порождают «острова» — области, которые эффективно кодируют внутреннюю информацию в исходящем излучении.

Эти результаты важны, потому что они меняют положение дел: информация о том, что упало внутрь, не уничтожается. Но этот ответ сопровождается существенной оговоркой. Информация обычно распределена по огромным объемам пространства и запутана экспоненциально сложным образом; восстановление упавшей квантовой системы из излучения было бы задачей настолько непомерно трудной, что на практике это фактически невозможно.

Голограммы, комплементарность и практическая невидимость

Леонард Сасскинд и другие подчеркивали, что информация не теряется в принципе — унитарность сохраняется, — но она становится вычислительно недоступной. Реконструкция извне потребовала бы астрономически большого количества операций, что фактически делает информацию невосстановимой в любом реалистичном эксперименте. Таким образом, философская острота первоначального утверждения Хокинга притупляется: законы остаются в силе, но детерминизм становится вопросом как практической сложности, так и принципа.

Могла бы черная дыра выбросить материю в другую вселенную?

Идея о том, что падающая материя может оказаться в другой вселенной, старше последних технических достижений. Она существует в нескольких вариантах. Один из них — представление о черных дырах как о местах зарождения «дочерних вселенных»: в некоторых сценариях квантовой гравитации внутренняя область может отпочковаться и стать расширяющимся доменом, отделенным от нашего пространства-времени. Другой путь лежит через кротовые норы и нетривиальную топологию: квантовые эффекты могут соединять регионы способами, которые не допускает классическая общая теория относительности.

Сам Хокинг рассуждал о том, что часть того, что пересекает горизонт, может появиться где-то еще — возможно, в отдельной вселенной. Это остается гипотезой. Современные расчеты, которые возвращают информацию вовне, не подразумевают наличия видимого физического туннеля, который мог бы перенести макроскопические объекты в целости в другой космос. Вместо этого они показывают, как квантовые корреляции и тонкости пространства-времени могут кодировать информацию о внутренних состояниях в исходящем излучении. Для человека или космического корабля приливные силы и термализация на горизонте остаются фатальными; прагматичный ответ на вопрос о том, сможете ли вы пройти сквозь черную дыру и выжить, по-прежнему отрицательный.

Внутренняя область — следующий рубеж

Возможно, самой упрямой загадкой является то, что на самом деле происходит внутри испаряющейся черной дыры. Новые вычисления, спасающие информацию, работают преимущественно на горизонте или чуть за его пределами, либо в «игрушечных» моделях, поддающихся точному голографическому дуализму. Они пока не дают детальной, общепринятой картины внутренней геометрии и динамики. Предположения варьируются от гладких внутренних областей, совместимых с принципом комплементарности, до «файрволов» — зон высокоэнергетических квантов на горизонте — и более экзотических эквивалентностей, в которых различные внутренние конфигурации тайно являются одним и тем же состоянием, видимым при разных способах сечения пространства-времени.

Как это связано с инфляцией, мультивселенной и бесконечностью

Вопрос о том, что лежит за пределами черной дыры, естественным образом перекликается с более широкими космологическими идеями. Космическая инфляция и вечная инфляция предсказывают ландшафт причинно несвязанных областей; в некоторых интерпретациях это буквально «другие вселенные». Физики также сравнивали мультивселенную, порожденную вечной инфляцией — экспоненциально разрастающуюся совокупность пузырьковых вселенных, — с многомировой интерпретацией квантовой механики. Важный, хотя и технический момент: в этих картинах возникают разные виды «бесконечностей». Инфляционная мультивселенная тяготеет к экспоненциальному типу бесконечности; ветвящаяся структура многих миров комбинаторна и может представлять собой еще больший тип бесконечности.

Примирение этих бесконечностей подскажет нам, может ли квантово-механическая мультивселенная всех возможностей быть физически реализована где-то в более широком инфляционном пространстве-времени. Текущие представления предполагают, что если инфляция не является вечной в прошлом или если инфлирующая область не была рождена бесконечной по пространственной протяженности, вы вряд ли найдете каждую ветвь квантовой возможности реализованной в виде отдельного инфляционного кармана. Это глубокие открытые вопросы на стыке космологии и основ квантовой теории, и они показывают, как физика черных дыр, квантовая гравитация и космология являются частями одного концептуального узла.

Что важно для будущего

Для исследователей путь вперед технический и конкретный: изучение внутренней области, уточнение «голографического словаря», тестирование игрушечных моделей и продвижение квантового моделирования в режимы, приближенные к гравитационной динамике. Для любознательной публики урок более тонкий. Черные дыры научили нас тому, что парадокс — это движущая сила физики: явные противоречия заставляют нас изобретать новые идеи — голографию, сложность, квантовые экстремальные поверхности — и эти идеи часто находят применение далеко за пределами своего первоначального контекста.

Текущее положение дел

Источники

• Nature (статья Стивена Хокинга 1974 года об излучении черных дыр)
• Stanford Institute for Theoretical Physics (исследования и взгляды на информацию в черных дырах)
• Institute for Advanced Study (работы по голографии и квантовой гравитации)
• University of California, Berkeley (острова запутанности и недавние расчеты энтропии)
• Event Horizon Telescope Collaboration (наблюдательные исследования окрестностей черных дыр)
• University of Sussex (обзоры и комментарии по квантовой гравитации и информации)