Что произойдет с человеком, попавшим в черную дыру?

В марте 2012 года, Джозеф Полчински (Joseph Polchinski) начал помышлять о суициде, по крайней мере, в математической форме. Струнный теоретик Института Кавли (Kavli Institute), занимающегося вопросами теоретической физики в Санта Барбаре, штата Калифорния, Полчински размышлял о том, что может произойти с астронавтом, нырнувшим в черную дыру. Очевидно он умрет, но как именно?

В соответствии с предложенным мнением, сначала он не почувствует ничего особенного, даже проходя через горизонт событий черной дыры — точку невозврата, невидимую границу, за пределы которой уже ничто не может вырваться. Но, в конечном счете, спустя часы, дни или даже недели, если черная дыра достаточно велика, он начнет ощущать, что гравитация в области ног увеличивается быстрее, чем в области головы. И разница в силах при падении неумолимо тянущих тело вниз, быстро бы увеличилась, буквально разрывая астронавта на части, пока его останки наконец не рухнули бы на невероятно плотное ядро черной дыры.

Но расчеты Джозефа Полчински, выполненные совместно с двумя его студентами, Ахмедом Альмхейри (Ahmed Almheiri) и Джеймсом Салли (James Sully), и коллегой Полчински, ведущим струнным теоретиком калифорнийского университета Санта-Барбары (КУСБ) — Дональдом Марольфом (Donald Marolf), показывают иную ситуацию. По их расчетам квантовый эффект превратит горизонт событий в бурлящий поток частиц и любой попавший туда объект будет сожжен дотла в одно мгновение так называемой стеной огня.

Вердикт “струнной” команды, опубликованный в июле 2012 года, шокировал общество физиков. Эти стены огня напрочь разрушают принципы физики, на которых базируется теория относительности и теория гравитации, впервые сформулированные почти сто лет назад Альбертом Эйнштейном. Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции подразумевает, что объект падающий в гравитационное поле, даже в такое сильное, как у черной дыры, будет ощущать то же, что и объект плавающий в пустом пространстве. Без этого принципа предложенная Эйнштейном основа рушится.

Хорошо осознавая последствия своих притязаний, Полчински и его коллеги, в конце концов, предложили альтернативную схему, в которой огненная стена не образуется. Но это решение много стоило, так как ученые должны были пожертвовать другими серьезными принципами физики, такими как квантовая механика и теория основных взаимодействий субатомных частиц.

Результатом стал шквал научных статей о проблеме огненных стен, в которых ученые пытались найти выход из затруднительного положения, но результатов, способных удовлетворить сразу всех, получить не удалось. Стив Гиддингс (Steve Giddings) — квантовый физик КУСБ описывает ситуацию как “кризис основ физики, который может привести к революционным решениям”

С этой мыслью эксперты по изучению черных дыр собрались в CERN — европейской лаборатории физики элементарных частиц, недалеко от Женевы, дабы встретиться с этой проблемой лицом к лицу. Они надеялись выявить пути объединения теории “квантовой гравитации”, которая включала бы в себя все основы сил природы, получить тот приз, который ускользал от них на протяжение десятилетий.

Идея огненных стен буквально расшатывает основы того, что нам известно о черных дырах, указал в своем докладе Рафаэль Буссо (Raphael Bousso) — струнный теоретик Калифорнийского университета в Беркли. “Это по сути стравливает квантовую механику с общей теорией относительности, не давая нам не единой подсказки, в каком направлении двигаться дальше”.

Источник огненного кризиса

Кризис огненной стены берет свое начало в 1974 году, когда физик Стивен Хокинг (Stephen Hawking) в Кембриджском университете Великобритании предположил, что у черной дыры существует своя температура. Если дыра не будет подпитываться материей, она начнет медленно излучать протоны и другие частицы, что приведет к постепенному уменьшению ее массы, пока она полностью не испарится.

Однако эти частицы не имеют отношения к огненной стене и астронавт пересекающий горизонт событий, в соответствии с теорией относительности, не почувствует этого излучения. Но благодаря тому, что уравнение общей теории относительности предполагает, что черные дыры могут только поглощать массу и расти, а не испаряться, результаты Хокинга были весьма шокирующими.

Аргументы Хокинга в основном сводятся к тому, что относительно квантовой теории, так называемое “пустое пространство” не является пустым. На субмикроскопическом уровне существует постоянный беспорядок, где пары из частиц и античастиц постоянно взаимодействуют, но заметить это можно только в специально оборудованных лабораториях. Хокинг предположил, что когда пара частиц и античастиц возникает по другую сторону горизонта событий черной дыры, одна частица “приносится в жертву” дыре, в то время, как ее “выживший” партнер вылетает за горизонт событий в качестве излучения.

С тех пор теория Хокинга была усовершенствована и дополнена многими исследователями, и в настоящее время повсеместно пользуется популярностью. Но осознание того, что черные дыры могут не только поглощать, но и излучать энергию, привело к парадоксу бросающему вызов квантовой теории.

Квантовые механики говорят, что информацию невозможно уничтожить. В принципе, вероятность восстановить любую информацию об объектах упавших в черную дыру, путем измерения квантового состояния частиц на границе горизонта событий, очень велика. Но Хокинг утверждает, что все не так просто, так как выходящее излучение беспорядочно, это тоже самое, что смешать килограмм камней и килограмм компьютерных чипов. Даже если наблюдать за черной дырой до ее полного испарения, все равно невозможно будет узнать, как именно она образовалась и что в нее попадало.

Эта проблема, получившая название информационного парадокса черной дыры, разделила физиков на два лагеря. Сторонники Хокинга соглашались с тем, что информация полностью исчезает, когда черная дыра умирает, и если это противоречит квантовым законам, тогда необходимо найти лучший закон. Другие, как Джон Прескил (John Preskill) — квантовый физик Калифорнийского университета в Пасадене, придерживаются квантовой механики. “Какое-то время я действительно пытался построить альтернативную теорию, включающую в себя потерю информации” — говорит он, “Но я не смог найти ни одной, имеющей при этом смысл, — никто не смог!” Ситуация не сдвинулась с мертвой точки на протяжение двух десятилетий, поэтому когда в 1997 году Прескил нашел ответ, это стало выдающимся событием. Хокинг публично подтвердил свое поражение и правоту Джона Прескилла в том, что информация не теряется даже после испарения черной дыры и пообещал вручить победителю любую энциклопедию, которую тот выберет.

Но в том же году физик Гарвардского университета в Кембридже Хуан Малдасена (Juan Maldacena) своим исследованием сдвинул этот вопрос с мертвой точки. Его догадка базировалась на представлении, что любая трехмерная (3D) область пространства Вселенной может быть описана на плоскости. Так же, как лазер может воспроизводить 3D сцены в двухмерной голограмме. “Мы использовали слово голограмма, в качестве метафоры”, говорит Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) — струнный теоретик Стэнфордского университета Калифорнии, один из авторов этого предположения. “Но после продолжительных математических расчетов, оказалось, что Вселенная, в буквальном смысле, является проекцией информации на плоскость”.

Созданная Малдасеной теория — это конкретная математическая формулировка идеи голограмм, основанная на некоторых понятиях теории суперструн, в которой позиционируется, что элементарные частицы состоят из крошечных вибрирующих петель энергии. Его модель предусматривает 3D пространство, вмещающее в себя струны и черные дыры, регулируемые только лишь гравитацией. А также ограниченные двухмерным пространством элементарные частицы и поля, подчиненные только квантовым законам без гравитации. Гипотетически, жители трехмерного пространства никогда не увидят этой границы, потому что она бесконечно далека, но это не столь значимо, так как все происходящее в трехмерном пространстве можно описать формулами в двухмерном и наоборот. “Я обнаружил, что существует математический язык, который можно использовать для лучшего понимания происходящего в этих двух измерениях” — пояснил Малдасена

Это значит, что даже испарение трехмерной черной дыры может быть описано в двухмерном пространстве, где нет гравитации, где значимы только квантовые законы, и где информация никогда не теряется. И если информация сохранена там, значит она сохранена и в трехмерном пространстве. Так или иначе, информация покидает пределы черной дыры.

Один за всех

Несколько лет спустя Дональд Маролф (Donald Marolf) показал, что каждая модель квантовой гравитации подчиняется тем же правилам, независимо от того, основана ли она на теории струн или нет. Как объяснил Тед Джейкобсон (Ted Jacobson) — квантовый физик Мерилендского университета в Балтиморе, долгое время поддерживавший теорию о потере информации, “Совместная работа Малдасены и Маролфа оказалась очень убедительной”. В 2004 году Хокинг публично признал свою неправоту и вручил Прескиллу энциклопедию бейсбола, как победителю в споре.

Открытие Малдасены было настолько убедительным, что большинство физиков поверили, что парадокс решен, и никто даже не задумывался о том, каким именно образом Хокинговское излучение выносит информацию из черной дыры. “Мы все предполагали, что на это имеется исчерпывающий ответ”, — говорит Полчински.

Но этого ответа не было. В начале 2012 года Полчински вместе со своей командой поставил задачу найти недостающие звенья, и вскоре они наткнулись на еще один парадокс, который в конечном итоге привел к разрушению теории огненной стены.

Хокинг показал, что квантовое состояние частиц, вырвавшихся из черной дыры произвольно, а это значит, что частицы не могут нести полезной информации. Но в середине девяностых Саскинд и другие поняли, что информация может быть закодирована в квантовом состоянии излучения в целом, если частицы будут переплетены друг с другом, так что измерения проведенные на одной из них будут немедленно влиять на другую, независимо от того, насколько далеко друг от друга они будут находиться.

Но как такое возможно? Вся команда Полчински удивилась этому, ведь для того, чтоб частица вырвалась из горизонта событий черной дыры, она должна быть переплетена с частицей-двойником, которая приносится в жертву черной дыре. И если Сасскинд и другие были правы, то она так же должна быть связана и со всем излучением Хокинга, вырывающимся из черной дыры. Тем не менее, один из принципов квантовой механики, называемый “монограммой переплетения” говорит, что одна квантовая система не может быть тесно связана с двумя другими независимыми системами одновременно.

Чтобы избежать этого парадокса Полчински и его сторонники решили, что одна из связей должна быть разорвана. Будучи вынужденными отказаться от необходимости расшифровки информации излучения Хокинга, они решили отказаться от теории разрыва частицы с ее двойником, принесенным в жертву черной дыре. Но за это пришлось расплачиваться. По словам Полчински, такой интенсивный процесс, как разрыв молекулярных связей сопровождается выделением энергии. Энергия, спровоцированная разрывом множества таких пар, должна быть чудовищной. “Горизонт событий будет буквально кольцом огня, которое будет испепелять любого кто пройдет через него”. А это, в свою очередь, нарушает принцип эквивалентности и вытекающее из него утверждение, что свободное падение ощущается также, как парение, потому что в данном случае падение заканчивается воспламенением. Поэтому они разместили эту теорию в архиве электронных публикаций научных статей и препринтов АrXiv, предоставляя физикам серьезный выбор: либо признать существование огненных стен, которые разрушают общую теорию относительности, либо признать, что информация попавшая в черную дыру теряется и квантовая механика неверна. “При всем богатстве выбора наиболее сумасбродным вариантом, по нашему мнению, являются огненные стены”, — говорит Маролф.

Эти документы потрясли сообщество физиков. “Утверждение, что отказ от принципа эквивалентности Эйнштейна является лучшим вариантом — возмутительно!” говорит Джейкобсон. Буссо (Bousso) соглашается, добавляя, что огненные стены не могут просто появляться в пустом пространстве, так же как и кирпичная стена не может внезапно возникнуть посреди пустого поля и ударить в лицо. Если теория Эйнштейна не распространяется на горизонт событий, то космологи должны задаться вопросом, может ли она распространяться на все остальное?

Тогда Полчински предположил, что при расчетах могла быть допущена ошибка и он обратился к одному из отцов голографии, чтоб тот нашел ее. “Моей первой мыслью было, что он ошибся” говорит Сасскинд, который сразу же отреагировал, написав большую статью. Поразмыслив, Сасскинд все же решил, что Полчински может быть прав. “Во второй раз я подумал, что он прав; в третий раз я решил, что он ошибается; в четвертый — что он прав”, — смеется Сасскинд, “За это меня прозвали йо-йо, но моя реакция была примерно такой же, как и у большинства физиков”.

С тех пор свыше сорока статей по этой теме были размещены в ArXiv, но до сих пор никто не смог найти логической ошибки. “Это воистину прекрасный аргумент, доказывающий, что в наших представлениях о черной дыре есть некоторые недочеты” говорит Дон Пейдж (Don Page) — бывший сотрудник Хокинга в 70х, сейчас физик-теоретик Альбертского университета в Канаде. Однако среди этих статей было выдвинуто большое количество интересных предположений.

Реальные последствия

Одно из многообещающих решений, согласно Сасскинду поступило от Даниэля Харлоу — квантового физика Принстонского университета в Нью Джерси и Патрика Хайдена ученого компьютерщика университета МакГилла в Монреале, Канада. Они задались вопросом, сможет ли астронавт реально исследовать парадокс. Чтобы сделать это, он должен сначала расшифровать значительную часть исходящего излучения Хокинга, а затем нырнуть в Черную дыру, чтобы исследовать провалившиеся туда частицы. Расчеты Хайдена и Харлоу показывают, что излучение настолько сложное для расшифровки, что черная дыра испарится до того, как астронавт будет готов нырнуть в нее. Как говорит Харлоу “Не существует базового закона, препятствующего реальному измерению парадокса, просто практически это не представляется возможным.”

Гиддингс (Giddings), однако, утверждает, что парадокс огненной стены требует радикального решения. Он рассчитал, что если запутанность между исходящим излучением Хокинга и его провалившимся в черную дыру двойником не разрушена до того, как вырвавшаяся частица не пересечет горизонт событий, то ее энергия утратится и не будет достаточной для возникновения огненной стены. Это утверждение защищает принцип эквивалентности, но требует некоторой модификации квантовых законов. На встрече в CERN участники бились над возможностью протестировать модель Гиддинга, которая предполагает, что если две черные дыры столкнутся, они могут спровоцировать характерные волны в пространстве-времени, которые смогут зафиксировать гравитационно-волновые обсерватории на земле.

Есть и другой вариант, который не нарушает принципа эквивалентности, но он настолько спорный, что немногие осмелятся поддержать его: возможно, Хокинг был прав все эти годы, и информация в черной дыре теряется. По иронии судьбы человеком, который выдвинул это предположение на прошлогоднем семинаре по обсуждению парадокса огненной стены в Стенфордском университете, был Прескилл — тот самый, который ранее оспорил теорию Хокинга. “Удивительно, что люди серьезно не задумываются об этом, потому что этот вариант мне кажется менее бредовым, чем теория огненной стены” говорит он, хотя и добавляет, что на инстинктивном уровне он придерживается того, что информация, проходящая через черную дыру, все таки сохраняется.

Нежелание пересматривать старые аргументы Хокинга, это знак беспредельного уважения, которое физики испытывают к справочнику Малдасены о квантовой теории гравитации, который очевидно доказывает, что информация не может быть утеряна. “Это глубочайшее понимание гравитации, потому что оно связано с квантовыми полями” говорит Полчински, сопоставляя результаты Малдасены, который на данный момент собрал порядка 9 000 выдержек из открытий 19го столетия о теории, связывающей свет, электричество и магнетизм. “Если довод о существовании огненной стены был сделан в начале девяностых, то я думаю, это был бы весомый аргумент в пользу потери информации” сказал Буссо, “ Но сейчас никто не хочет принимать во внимание, что Малдасена может ошибаться ”

Малдасене льстит тот факт, что большинство физиков поддерживают его в бескомпромиссной борьбе против Энштейна, хотя, он верит, что до этого не дойдет. “Для полного понимания парадокса огненной стены, мы должны дополнить этот справочник”- говорит он — “а не отбрасывать его”.

Единственное соглашение, к которому пришли все, это то что, проблема не разрешится в ближайшее время. В своем докладе Полчински обозначил все предложенные стратегии для решения ситуации с огненной стеной, осторожно указывая на те аспекты, в которых по его мнению, была их слабость. “Мне жаль, что никто так и не смог ничего поделать с огненной стеной” — заключил он — “Но пожалуйста, продолжайте попытки”