Знаменитий парадокс чорних дір, схоже, отримав рішення. Але все дуже складно

Протягом 50 років фізики-теоретики намагалися вирішити знаменитий парадокс чорних дір, який передбачає, що ці космічні монстри набагато складніші, ніж передбачає загальна теорія відносності. Справа в тому, що відповідно до теорії Ейнштейна, чорні діри на диво прості. Якщо ви знаєте масу, заряд і обертання чорної діри, то знаєте про неї все, що потрібно. Виходить, чорні діри – одні з найбільш простих і зрозумілих персонажів у всьому Всесвіті. Але ця уявна простота породжує тривожний парадокс. У 1970-х роках знаменитий астрофізик Стівен Гокінг зрозумів, що чорні діри не є повністю чорними. Замість цього вони випромінюють світло за допомогою тонкого квантово-механічного процесу, що діє на їх горизонтах подій або кордонах чорних дір, звідки ніщо, навіть світло, не вирветься. Оскільки чорні діри настільки прості і можуть бути описані лише трьома числами, вся інформація про матеріал, який потрапляє в чорні діри, мабуть, замкнені назавжди. Неважливо, створите ви чорну діру з мертвих зірок і міжзоряного пилу або чорну діру з кішок; поки ці дві чорні діри мають однаковий спін, масу і заряд, вони будуть ідентичні. Але що в кінцевому підсумку відбувається з інформацією?

Інформаційний парадокс

Всесвіт дивовижний. І дуже шкода, що сучасні міста забруднені освітленням так сильно, адже зірок в нічному небі практично не видно. Тим часом, якби щоночі ми бачили з вікна Чумацький Шлях, а кожен серпень спостерігали за потоком Персеїди не виходячи з дому, ми, напевно, замислювалися про Всесвіт частіше. Зрештою, самі божевільні фізичні теорії, наприклад, про множинність світів або про те, що за допомогою чорних дір можна подорожувати, можуть виявитися реальністю, хто знає.

Ну а поки Андрій Лінде і інші вчені припускають, що наш Великий вибух був не єдиним, зусилля інших спрямовані на вивчення чорних дір, існування яких вдалося довести кілька років тому.

Стівен Гокінг, який присвятив масу наукових праць цим космічним монстрам, вважав, що міру того, як чорна діра випускає випромінювання, вона випаровується, в кінцевому підсумку повністю зникаючи – звідси і так званий інформаційний парадокс чорної діри. Якщо купа інформації потрапляє в чорну діру, і інформація не може бути знищена, то коли чорна діра зникає, куди дівається вся інформація?

У серії проривних робіт фізики-теоретики підійшли близько до вирішення інформаційного парадоксу чорної діри, який зачаровував і мучив їх протягом майже 50 років. Інформація, як вони тепер з упевненістю говорять, дійсно вислизає з чорної діри.

Якщо стрибнути в чорну діру, ви не пропадете назавжди. Частка за часткою, інформація, необхідна для відновлення вашого тіла, буде з’являтися знову. Більшість фізиків давно припускали, що так воно й буде, такий був підсумок теорії струн – провідного кандидата на створення єдиної теорії всього. Але нові обчислення, хоча і натхненні теорією струн, самі по собі не припускають їх існування.

Інформація виходить назовні завдяки дії самої гравітації – просто звичайної гравітації з одним шаром квантових ефектів, – вважають дослідники. Це своєрідна зміна ролі гравітації.

Зміна ролі гравітації

Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна, гравітація чорної діри настільки сильна, що ніщо не можна уникнути її. Більш складне розуміння чорних дір, розроблене Стівеном Гокінгом і його колегами в 1970-х роках, не ставив під сумнів цей принцип. Гокінг та інші намагалися описати матерію в чорних дірах і навколо них за допомогою квантової теорії, але вони продовжували описувати гравітацію, використовуючи класичну теорію Ейнштейна – це гібридний підхід, який фізики називають «напівкласичним».

Хоча підхід передбачав нові ефекти по периметру дірки, внутрішня частина залишалася строго ізольованою. Фізики прийшли до висновку, що Гокінг зробив правильний напівкласичний розрахунок – будь-який подальший прогрес повинен був би також розглядати гравітацію як квантову.

Однак, саме це заперечують автори нових досліджень. Як пише Wired, вони виявили додаткові напівкласичні ефекти – нові гравітаційні конфігурації, які допускає теорія Ейнштейна, але які Гокінг не включав.

Спочатку приглушені, ці ефекти починають домінувати, коли чорна діра стає дуже старою. Діра перетворюється з царства пустельників в енергійно відкриту систему. Мало того, що інформація просочується назовні, все нове, що потрапляє в неї, вивергається майже відразу. Переглянута Напівкласична теорія ще не пояснила, як саме інформація виходить назовні, але за останні два роки темпи відкриттів були такими, що у вчених є натяки на вирішення парадоксу.

Так чи інакше, перед теоретиками ще дуже багато роботи – сам простір-час, схоже, розпадається на чорну діру, маючи на увазі, що простір-час – це не кореневий рівень реальності, а виникаюча структура з чогось більш глибокого. І хоча Ейнштейн розумів гравітацію як геометрію простору-часу, його теорія також тягне за собою розпад простору-часу, і саме тому інформація в кінцевому рахунку може вирватися зі своєї гравітаційної в’язниці.

Чорні діри, квантові комп’ютери і нелокальність

У численних спробах вирішити інформаційний парадокс чорних дір, дослідники вдалися до комп’ютерного моделювання, яке саме по собі є фізичною системою; квантове моделювання, зокрема, не зовсім відрізняється від того, що воно моделює. Тому фізики представили, що збирають все випромінювання, вводять його в масивний квантовий комп’ютер і запускають повну симуляцію чорної діри.

І це призвело до чудових результатів. Оскільки випромінювання пов’язане з чорною дірою, з якої воно прийшло, квантовий комп’ютер теж сильно пов’язаний з чорною дірою. В рамках моделювання квантова заплутаність перетворюється в геометричний зв’язок між моделюючою чорною дірою і оригіналом. Простіше кажучи, вони з’єднані червоточиною.

Є фізична чорна діра, а потім змодельована в квантовому комп’ютері, і між ними може бути точна копія червоточини, – сказав Дуглас Стенфорд, фізик-теоретик з Стенфордського університету і співавтор нового дослідження. Ця ідея є прикладом припущення 2013 року про те, що квантову заплутаність можна розглядати як червоточину. Червоточина, в свою чергу, забезпечує секретний тунель, через який інформація може проникнути всередину.

Подальші обговорення, неминуче, стосувалися того, як буквально розуміти всі ці червоточини. Червоточини настільки глибоко занурені в рівняння, що їх зв’язок з реальністю здається слабким, але все ж вони мають відчутні наслідки. Поєднуючи два віддалених місця розташування, червоточини дозволяють подіям в одному місці безпосередньо впливати на віддалене місце, ось тільки частинка, сила або інший вплив не перетинають проміжне відстань. Цей ефект фізики називають нелокальність.

На перший погляд це дивно. Ейнштейн побудував загальну теорію відносності з явною метою виключити нелокальність з фізики. Гравітація не поширюється через простір миттєво. Вона повинна поширюватися з одного місця в інше з кінцевою швидкістю, як і будь-яке інше взаємодія в природі.

Але за минулі десятиліття фізикам стало ясно, що симетрії, на яких заснована теорія відносності, створює нове покоління нелокальних ефектів.

Так, в лютому 2020 роки команда фізиків виявила, що симетрії теорії відносності надають навіть більш великі ефекти, ніж зазвичай передбачається, що може надати простору-часу якість дзеркального залу, що спостерігається при аналізі чорних дір.

Все це підсилює здогадки багатьох фізиків про те, що простір-час не є корінним рівнем природи, а виникає з якогось основоположного механізму, який не є просторовим або тимчасовим. Нові обчислення говорять майже те ж саме, але без прив’язки до подвійності або теорії струн. Червоточини виникають тому, що є єдиною мовою, який інтеграл шляху може використовувати для передачі того, що простір руйнується. Це спосіб геометрії сказати, що Всесвіт в кінцевому рахунку негеометрична.

І хоча фізикам знадобиться час, щоб підтвердити або спростувати результати дослідження, в кінці кінців, навіть автори роботи не очікували, що вирішать інформаційний парадокс чорних дір таким чином і без повної квантової теорії гравітації. Але якщо припустити, що їх розрахунки вірні, то теорія чорних дір більше не містить логічного протиріччя, яке робить її парадоксальною.