На входе в чёрную дыру может существовать огненная стена24 декабря 2012 года, 12:52 | Текст: Александр Березин
В середине года в сообществе физиков, интересующихся изысканиями в области чёрных дыр (ЧД),
возникло некоторое замешательство. На сайте
arXiv появилась работа,
которая в прямом смысле грозит созданием парадокса не слабее всех этих ваших шрёдингеровских котов
и демонов Максвелла. В общем, поддерживаемое многими учёными убеждение в том, что информация
при попадании в чёрную дыру не исчезает, чревато серьёзнейшей дилеммой.
Представим, что две частицы — назовём их Алисой и Бобом — пролетают около обычной ЧД.
Алиса, будучи пойманной гравитацией ЧД, пересекла горизонт событий последней. И тут неожиданно выясняется, что
между Алисой и Бобом существовала квантовая запутанность. Под нею, несколько упрощая, понимается взаимосвязь
параметров двух разных частиц (Алисы и Боба) на теоретически неограниченно большом расстоянии, причём такая
взаимосвязь, при которой их параметры связаны в каждое конкретное мгновение. Соответственно, информация о
состоянии Алисы из-за горизонта событий ЧД будет доступна Бобу, а по параметрам Боба её сможет понять и
сторонний наблюдатель. И вот тут начинается самое главное: если, как предпочитает думать большинство физиков,
информация в ЧД не теряется (после попадания туда с материей из окружающего чёрную дыру мира) и её можно
восстановить по испускаемому дырой излучению Хокинга, то налицо противоречие между квантовой запутанностью
Алисы и Боба и квантовой запутанностью ЧД и её непосредственного окружения. Боб, получается, одинаково сильно
квантово сцеплен сразу и с Алисой, и с «третьим лицом», которое физики называют Кэрри. Однако квантовая
механика запрещает одинаково сильную квантовую запутанность между более чем двумя частицами:
квантовая запутанность «моногамна», или Боб не может находиться в одинаково сильно сцепленном состоянии
сразу и с Алисой, и с Кэрри.
Что же всё таки происходит с несчастным, угодившим в чёрную дыру?
Гибнет ли он сразу или через какое-то время? (Иллюстрация NASA / JPL-Caltech.)И это ещё не всё. Что случится, если Боб будет не просто частицей, а сторонним наблюдателем и сравнит
информацию, получаемую им из излучения Хокинга (от Кэрри) и от квантово сцепленной с ним Алисы? «Это будет
катастрофой, — комментирует физик Рафаэль Буссо (Raphael Bousso) из Калифорнийского университета в Беркли
(США). — Потому что Боб, внешний наблюдатель, видит ту же информацию в хокинговском излучении, и если они
смогут поговорить о ней [с Алисой, квантово сцепленной с Бобом], там будет квантовое ксерокопирование, строго
запрещённое в квантовой механике».
Вслед за упомянутой публикацией группы учёных под руководством Ахмеда Альмейри (Ahmed Almheiri) из
Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) появилась целая волна комментариев (вот лишь некоторые
из них), содержание которых весьма предсказуемо: группа Альмейри (она же AMPS) что-то там перемудрила.
Несмотря на единодушный критический порыв, оппонентам вскоре пришлось признать, что в рамках известных
физических законов предложенный парадокс явно существует. Если же его нет, то какие-то из этих законов
неверны.
Традиционно, согласно ОТО, считается, что если кто-то или что-то падает в большую ЧД, то действует сценарий
«Ничего страшного» (No Drama): у горизонта событий гравитация слаба, и Алису, будь она человеком, не разорвёт
на части. Хотя при падении вглубь ЧД в конце концов она дойдёт до сингулярности, и её начнёт вытягивать
гравитация, постепенно «спагеттизируя».
Если же предложенный г-ном Альмейри и его коллегами вариант верен, на входе в ЧД (точно у горизонта событий)
должен быть файервол, препятствующий попаданию квантово сцепленной с Бобом Алисы дальше в глубь ЧД.
Что это странное словосочетание означает физически, пока не вполне ясно. Предположительно, это может быть
состояние сингулярности, вопреки нашему представлению о ЧД, расположившейся прямо у горизонта событий
и немедленно уничтожающей любой подающий за горизонт объект, включая Алису вместе со всей её квантовой
запутанностью.
Очевидно, перед нами своего рода новый ЭПР-парадокс: если «огненная стена» на входе в ЧД есть, то или общая
теория относительности, или наше понимание квантовой механики хромает. Выходов из парадокса не так много.
Можно предположить, что попадающая в ЧД информация на самом деле уничтожается. И действительно, непонятно,
как по хокинговской радиации, вылетающей из ЧД только что поглотившей например БСЭ, можно восстановить
информацию, содержавшуюся в энциклопедии. Но тогда придётся попрощаться с принципом унитарности —
краеугольным камнем современной физики. Иными словами, с принципом, согласно которому сумма вероятностей
событий, могущих произойти с квантовой системой, всегда равна единице. Читатель, мы полагаем, догадывается,
что нарушение такого принципа делает всю квантовую механику очень шаткой вещью, и вариант этот физикам
не нравится.
Вопреки сценарию No Drama (слева вверху), на деле из-за файервола Алиса может погибнуть почти сразу,
в силу «рокового треугольника» между ней, Бобом и Кэрри. (Иллюстрации Joseph Polchinski.)Впрочем, некоторые физики всё-таки задумались над такой возможностью. Хотя мы и не знаем, что будет с квантовой
механикой без принципа унитарности, «это не значит, что ничего подобного не может быть сделано, — полагает
известный физик Джон Филипп Прескилл из Калифорнийского технологического института (США). — Посмотрите в
зеркало и спросите себя: поставлю ли я свою жизнь за унитарность?»
Перспектива, конечно, пугающая. Есть и альтернативы: пересмотр принципа эквивалентности сил гравитации и
инерции. Согласно нему, если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить, какая сила
действует на данное тело — гравитационная или сила инерции. Именно этот принцип делает возможным
вышеупомянутый сценарий «Ничего страшного»; он-то и вступает в противоречие с принципом унитарности в
сценарии с «огненной стеной». Согласно выводам семинара, проведённого в Стэнфордском университете, либо
унитарность, либо принцип эквивалентности, либо саму концепцию одинакового действия физических законов вне
ЧД и внутри её придётся пересмотреть — но какой именно из этих трёх принципов положить под топор, пока никто
из полусотни участвовавших в дискуссии физиков не знает.
Подготовлено по материалам
Simons Foundation.
http://science.compulenta.ru/729253/
Автор