Предположим, вы взяли книгу – бросили ее в огонь и дождались, пока она полностью сгорит. (Не волнуйтесь, всегда можно купить новую.) Может показаться, что информация, содержащаяся в книге, утрачена в пламени. Но если воспользоваться имеющейся у физиков сверхспособностью и поставить мысленный эксперимент, то становится понятно, что эта потеря только кажущаяся. В принципе, если бы мы могли перехватить каждый фотон, всю теплоту, каждую пылинку и пепел, поднявшиеся с этого костра, а также в совершенстве знали законы физики, то могли бы реконструировать все, что попало в огонь, в том числе все слова со страниц книги. В реальном мире такого никогда не произойдет, но физика говорит, что это возможно.
Большинство физиков полагают, что именно так и должны быть устроены черные дыры: бросаешь туда книгу, и вся информация, что была на ее страницах, должна оказаться зашифрована в излучении, испускаемом черной дырой. Однако, согласно хокинговской теории излучения черных дыр, происходит нечто иное: информация, попадающая в черную дыру, по-настоящему уничтожается.
Конечно, вполне возможно, что это предположение верно и что испарение черной дыры совершенно не похоже на обычный костер. В любом случае не похоже, чтобы мы могли это как-то проверить – тем или иным образом. Но большинство физиков считают, что информация сохраняется и что на самом деле она как-то выходит из черной дыры. Они подозревают, что секрет может быть раскрыт, когда мы лучше поймем квантовую гравитацию.
Это легче сказать, чем сделать. Одно из представлений о том, почему черные дыры, собственно, черны, связано с тем, что для выхода из черной дыры необходимо иметь возможность двигаться со сверхсветовой скоростью. Данная проблема не касается хокинговского излучения, так как оно возникает непосредственно перед горизонтом событий, а не в глубинах черной дыры. Но любая книга, которую мы бросим в черную дыру, улетит прямо в ее недра вместе со всей информацией. Можно спросить, а не копируется ли эта информация каким-то образом и не уносится ли вместе с излучением, пока книга падает за горизонт событий. К сожалению, это противоречит базовым принципам квантовой механики: существует так называемая теорема о запрете клонирования, согласно которой невозможно скопировать квантовую информацию, не уничтожив ее исходный экземпляр.
Другая возможность, по-видимому, заключается в том, что книга падает все глубже, но когда она достигает сингулярности в недрах черной дыры, вся информация из нее каким-то образом переносится в излучение, исходящее с горизонта событий. К сожалению, такой процесс требует сверхсветовой коммуникации. Либо, что эквивалентно – динамической нелокальности, когда события в одной точке немедленно влияют на события, происходящие очень далеко. Именно такая нелокальность невозможна, согласно обычным правилам квантовой теории поля. В этом кроется ключ к разгадке: правила квантовой теории необходимо кардинально пересмотреть, как только в игру вступает квантовая гравитация
Проблема в том, что не существует очевидного способа передать информацию из упавшей в черную дыру книги в льющееся с горизонта событий излучение Хокинга, по крайней мере если сигналы движутся не быстрее, чем со скоростью света. Поэтому возникает следующая безумная идея: может быть, вся информация о состоянии черной дыры, ее «недрах» и горизонте – может существовать на самом горизонте, а не лежать где-то в глубине. Тогда состояние черной дыры в некотором смысле «живет» на двумерной поверхности, а не распределено во всем ее трехмерном объеме.
Эта идея была впервые разработана Герардом т’Хоофтом и Леонардом Сасскиндом в 1990-х годах. Она известна под названием «голографический принцип». В обычной голограмме свет падает на двумерную поверхность и выстраивается в трехмерное изображение. В соответствии с голографическим принципом явно трехмерные недра черной дыры отражают информацию, закодированную на двумерной поверхности горизонта событий. Если это правда, то, может быть, не так уж сложно получить информацию из черной дыры, считав эти данные из ее излучения, поскольку эта информация всегда будет находиться на горизонте событий.
Физики по-прежнему не пришли к общему мнению о точном значении голографического принципа применительно к реальным черным дырам. Это просто способ подсчета количества степеней свободы или следует считать, что это полноценная теория, описывающая горизонт событий и физику черной дыры? Мы этого не знаем, но есть другой контекст, в котором голография весьма точна: речь о гипотезе AdS/CFT-дуальности, предложенной Хуаном Малдасеной в 1997 году. AdS в данной аббревиатуре означает «пространство анти-де Ситтера» – гипотетическое пространство-время, в котором нет никаких источников материи, кроме отрицательной энергии вакуума (в противоположность положительной энергии вакуума нашего реального мира). CFT в данном случае означает «конформная теория поля». Это особая разновидность квантовой теории поля, которая может быть определена на бесконечно далекой границе AdS. Согласно Малдасене, эти две теории неявно эквивалентны друг другу. Эта мысль исключительно провокационна, и вот по каким причинам. Во-первых, AdS-теория содержит гравитацию, тогда как CFT – это обычная теория поля, в которой никакой гравитации нет. Во-вторых, размерность границы пространства-времени меньше, чем у самого пространства-времени. Например, если рассматривать теорию о четырехмерном пространстве AdS, то она будет эквивалентна трехмерной конформной теории поля. Сложно представить более яркий пример голографии в действии.
Чтобы обсудить детали AdS/CFT-соответствия, потребовалось бы написать отдельную книгу. Но стоит отметить, что в настоящее время ведется множество исследований, посвященных связи между геометрией пространства-времени и квантовой запутанностью. Все самое интересное, что связано с AdS/CFT, касается соотнесения компонентов внутренней структуры, где действует гравитация, с граничными компонентами, где гравитация отсутствует. Но существование границы – очень специфичная черта пространства анти-де Ситтера, что требует существования отрицательной энергии вакуума. А наша Вселенная, по-видимому, обладает положительной, а не отрицательной энергией вакуума.
Есть старый анекдот о пьянице, который ищет под уличным фонарем потерянные ключи. Прохожий спрашивает его, уверен ли он, что потерял ключи именно здесь, на что пьяница отвечает: «Нет, я потерял их где-то в другом месте, но здесь так хорошо видно!» В игре с квантовой гравитацией AdS/CFT-соответствие – это ярчайший в мире фонарь. Изучая эту теорию, удалось открыть множество увлекательных концепций, которые оказались полезны для физиков-теоретиков, но нет способа, который позволил бы с помощью этих знаний напрямую объяснить, почему яблоки падают с деревьев или любые другие аспекты гравитации в окружающем нас пространстве. Стоит продолжать поиски, но важно не упускать из виду нашей цели: понять тот мир, в котором мы живем.
Следствия голографического принципа для черных дыр, реально существующих в нашем мире, не столь очевидны, как в воображаемом AdS/CFT-мире. Утверждаем ли мы, что общая теория относительности совершенно неверно трактует природу недр черной дыры (и на самом деле черная дыра не пустая) и что на самом деле наблюдатель, падающий в черную дыру, врежется в голографическую поверхность прямо на горизонте событий? Нет, мы этого не утверждаем – ну, по крайней мере, этого не утверждают большинство приверженцев голографического принципа. Шон Кэрролл - квантовые миры и возникновение пространства-времени
Комментарии 1