Вселенский компьютер Стивен Хокинг раскрыл тайну черных дыр
Падение тел в черную дыру (в представлении художника). Изображение: arvinblaine
Физики-теоретики Стивен Хокинг, Малкольм Перри и Эндрю Строминжер предложили решение парадокса потери информации в черных дырах. Эта проблема многими учеными считается одной из самых важных в физике, поскольку связана с детерминированностью мира — тем, как прошлое, настоящее и будущее влияют друг на друга. «Лента.ру» рассказывает подробности исследования.
Сущность проблемы информационного парадокса черных дыр сводится к следующему. Согласно простейшей версии теоремы «об отсутствии волос», незаряженные и невращающиеся черные дыры, описанные в пространстве-времени Шварцшильда, характеризуются только одним параметром — массой. Слово «волосы» в этом случае используется в качестве метафоры для обозначения других параметров и предложено физиком Джоном Уилером.
Парадокс означает, что нет никакого способа отличить друг от друга черные дыры, имеющие равные массы. Материя, попадающая в черную дыру, впоследствии испаряется благодаря излучению Хокинга, и неясно, что происходит с переносимой ею ранее информацией. В широком смысле это может означать, как отметил Строминжер в интервью редактору Сету Флетчеру для Scientific American, недетерминированность мира: настоящее не определяет будущее и не может быть использовано для полной реконструкции прошлого.
О новом открытии Хокинг впервые заявил 25 августа 2015 года, выступая на конференции в Королевском технологическом институте в Стокгольме. Тогда он заинтриговал научную общественность готовящейся статьей, посвященной решению парадокса черных дыр. «Информация сохраняется не внутри, как можно было бы ожидать, а на горизонте событий черной дыры», — заявил тогда ученый. Он также упомянул супертрансляции, используемые авторами в работе (о них — ниже), исследование которых Строминжером вдохновило Хокинга на написание статьи. «Идея в том, что супертрансляции есть голограмма падающих частиц, — сказал Хокинг. — Они содержат всю информацию, которая иначе могла бы быть утеряна». Рассказал ученый и о перспективах использования информации из черных дыр. «Для всех практических целей информация теряется», — сказал Хокинг. По его словам, черные дыры возвращают информацию в «хаотической и бесполезной форме».
В своей лекции, организованной на день раньше, 24 августа, Хокинг рассказал о черных дырах как туннелях в другие вселенные. «Если черная дыра достаточно большая и вращается, она может быть мостом в другую вселенную. Но пройдя по нему, вы не вернетесь в нашу», — сказал физик. Представленные на конференции соображения Хокинг изложил 3 сентября в препринте на сайте arXiv.org. Сама работа Хокинга в соавторстве с Перри и Строминжером была опубликована там же 5 января 2016 года.
Малкольм Перри, Эндрю Строминжер и Стивен Хокинг (слева направо)
Фото: Anna N. Zytkow / scientificamerican.com
Ранее (с середины 1970-х годов) Хокинг полагал, что в черных дырах информация не сохраняется. По этому вопросу в 1997 году он и Кип Торн заключили пари с американским физиком-теоретиком Джонном Прескиллом. Точка зрения Хокинга об информационном парадоксе черных дыр изменилась после прогресса в теории струн.
В 1996 году в рамках теории струн Строминджер и Кумрун Вафа продемонстрировали вывод выражения для энтропии черных дыр, впервые полученного термодинамическим способом израильским физиком Якобом Бекенштейном в 1973 году. Их вывод указывает на то, что при испарении черных дыр сохраняется унитарность квантовой механики (связанная с непротиворечивой интерпретацией вероятности), что ранее Хокинг подвергал сомнению.
В опубликованной в 2005 году работе британский ученый попробовал качественно объяснить сохранение информации в черной дыре при помощи техники функционального интеграла, взятого по пространству с тривиальной топологией. Эти же результаты следовали из предложенной в 1998 году Хуаном Малдасеной в рамках теории струн идеи AdS/CFT-соответствия. Она, в свою очередь, основана на голографическом принципе, предложенном в 1993 году нидерландским физиком-теоретиком Герардом т'Хоофтом (этот ученый 5 сентября 2015 года опубликовал препринт с альтернативным способом сохранения информации черной дырой).
В новой работе ученые основывались на исследованиях 1960-х годов. Тогда физики Стивен Вайнберг и другие предложили концепцию супертрансляций (их не стоит путать с одноименным термином, используемым в суперматематике). Кроме того, авторы использовали результаты Строминжера и соавторов, из которых следовало наличие у черной дыры так называемых мягких волос. Строминжер использовал известные из квантовой электродинамики мягкие фотоны — кванты электромагнитного излучения большой длины волны, используемые в перенормировках (процедурах устранения расходимостей в квантовой теории поля). Такие частицы обладают малой энергией и при описании вакуумного состояния (с наименьшей энергией) приводят к появлению нового квантового состояния, характеризующегося угловым моментом (поскольку таковой есть у фотона).
Строминжер заинтересовался вопросом, будет ли отличным первоначальное квантовое состояние системы от последующего в случае, если положить длину волны фотона бесконечной (то есть посчитать его энергию равной нулю). Вычисления показали, что квантовое состояние системы в этом случае изменится. Мягкие гравитоны и фотоны в пределе бесконечной длины волны существуют на границах пространства-времени. В приложении к черным дырам оказывается, что мягкие частицы локализуются на горизонте событий — трехмерной голограмме четырехмерной пространственно-временной дыры.
Говоря о супертрансляциях, ученые имеют в виду преобразования идентичных световых лучей, существующих на горизонте событий черной дыры. В 1960-х годах супертрансляции использовались для описания световых лучей на бесконечности пространства-времени, а не горизонте событий черных дыр. Строминжер пояснил идею супертрансляции на примере совокупности бесконечно длинных и идентичных друг другу соломинок. Если одну из них переместить вверх или вниз относительно других, можно ли считать такое перемещение реальным? Исследования ученых дали положительный ответ на этот вопрос.
Герард т'Хоофт и Стивен Хокинг
Фото: Håkan Lindgren / kth.se
«Если вы сравните две черные дыры, которые отличаются только добавлением мягкого фотона, который не изменяет энергию, вы получите разные черные дыры. А потом вы позволите им испариться. В этом случае они должны испариться во что-то отличное друг от друга. Мы даем точную формулу, являющуюся одним из главных результатов нашей работы, описывающую отличия в квантовом состоянии черной дыры, в которую был или не был добавлен мягкий фотон», — рассказал в интервью Scientific American Строминжер.
Физик отметил, что в ходе проведенного исследования ему удалось сформулировать 35 перспективных задач, решение каждой из которых может занять до нескольких месяцев. «Если у нас есть все ингредиенты для понимания квантовой динамики черных дыр, это делает возможным подсчет количества голографических пикселей», — сказал он. В дальнейшем Строминжер с соавторами собирается изучать не супертрансляции, а суперротации. Используя аналогию с одинаковыми бесконечно длинными соломинками, можно сказать, что в этом случае последние меняются местами друг с другом (одна соломинка совершает вращение вокруг другой).
«Они (суперротации) представляют собой еще один вид симметрии на бесконечности, где вы не просто перемещаете световые лучи вверх и вниз, а позволяете им двигаться друг относительно друга», — сказал Строминжер. Такие преобразования ученые начали изучать около десяти лет назад, а прогресс в их понимании достигнут лишь в последние два года. Свое видение новой работы Хокинг, отметивший 8 января свое 74-летие, представит на лекциях, которые 26 января и 2 февраля будет транслировать BBC Radio 4.