О парадоксе Хокинга, излучении черными дырами информации и теории «пушистого клубка»

Что произошло

В недавней статье я представил модель, которая могла бы разрешить парадокс Хокинга о потере информации в черных дырах, а также сохранить классическое интуитивное понимание, что на горизонте нет файервола.

Что такое загадка Хокинга и как она решается?

Черные дыры образуются, когда материя сжимается под собственной гравитацией. После достижения определенной плотности процесс сжатия идет по нарастающей — чем плотнее материя, тем больше гравитация — до тех пор, пока вся масса звезды не будет находиться в одной точке с бесконечной плотностью. Черная дыра имеет горизонт — границу области, за которую не может вырваться даже свет. Для черной дыры с массой, равной массе Солнца, радиус горизонта составляет около 3 км.

Вопрос заключается в следующем: если что-то падает в черную дыру, то как информация об объекте в принципе может когда-либо из нее выйти? В теории струн было установлено, что черные дыры ведут себя как «пушистые клубки» — объекты, обладающие поверхностью, как планеты, вместо вакуумной области, которую в классической теории мы ожидаем обнаружить вокруг горизонта. С этой поверхности исходит излучение, и информация также выходит наружу.

Тогда может возникнуть вопрос: что произойдет, если объект упадет на эту поверхность? Возможно, конечно, что он разрушится, точно так же, как любой объект при падении на поверхность Земли. Но есть и другая возможность: поверхность «пушистого клубка» завибрирует под воздействием падающего объекта, и эти колебания будут примерно имитировать свободное падение через пустое пространство. Такая имитация возможна потому, что в квантовой теории каждая система полностью описывается набором характеризующих частот. Если две системы имеют примерно одинаковые частоты, то они будут имитировать друг друга.

В моей работе я привожу модель, где черная дыра испускает информацию посредством радиационного излучения и при этом обеспечивает опыт «приблизительно свободного падения» сквозь ее горизонт. Мы не знаем, ведут ли себя настоящие черные дыры таким образом, но модель показывает, что недавно предложенный аргумент о файерволе имеет лазейку. Сторонники аргумента о файерволе утверждали, что если бы существовал какой-либо механизм, чтобы черная дыра излучала информацию о себе с радиацией, то поверхность, необходимая для создания этой радиации, неизбежно «сжигала» бы падающие на нее объекты. Лазейка была в том, что группа сторонников идеи файервола предположила точную имитацию падения; чего они не учли, так это того, что возможно приблизительное сходство частот, дающее имитацию свободного падения с очень хорошим приближением.

Предыстория

В 1975 году Хокинг показал, что вакуум вокруг горизонта нестабилен и излучает частицы в бесконечность. Но, когда черная дыра испаряется таким образом, у нас возникает затруднение: вся информация разрушающейся звезды идет в точку в центре, в то время как излучение выходит из-за горизонта. Таким образом, излучение не имеет никакой информации о звезде, информация потеряна. В обычной квантовой теории информация никогда не теряется, поэтому Хокинг утверждал, что черные дыры нарушают квантовую механику. Это называется информационным парадоксом черных дыр.

Некоторые люди надеялись, что квантовые гравитационные эффекты могут каким-либо образом заключать в себе информацию, что-то, что могло быть упущено в изначальном расчете Хокинга. Но в 2009 году я использовал результат квантовой теории информации, чтобы показать, что такое тонкое кодирование невозможно.
Тогда казалось бы естественным, что черная дыра должна иметь поверхность, как звезды или планеты; в этом случае излучение от этой поверхности будет нести информацию об этой поверхности. Но проблема в том, что черная дыра засасывает все внутрь и таким образом, как правило, стремится сделать область горизонта областью вакуума. Такое поведение находит отражение в вере в такой тезис: черные дыры не имеют волос, то есть они являются «лысыми», без информации на поверхности.

Идея «пушистых клубков»

В теории струн было установлено, что черные дыры имеют поверхность, эта структура называется «пушистым клубком». Эта поверхность не «засасывается в отверстие», потому что с дополнительными измерениями, присутствующими в теории струн, в пространстве-времени возникает новая топология. В новой топологии пространство-время заканчивается в непосредственной близости от места, где был бы образован горизонт, поэтому не существует никакого «внутри», куда могла бы упасть поверхность. Сингулярность также исчезает, устраняя серьезную проблему физики дыры. «Клубок» излучает со своей поверхности, как звезда, так что проблема информации решена. Представление о черной дыре как об объекте без горизонта постепенно укреплялось в последние несколько лет благодаря тяжелой работе группы во главе с Джозефом Бена и Ником Варнером. Многие характеристики «пушистых клубков» были разъяснены Стивом Авери, Боруном Чоудхури, Стефано Джусто, Олегом Луниным, Рудольфо Руссо, Масаки Шигемори и Дэвидом Тертоном.

Проблема падения

Теперь можно задать еще один вопрос: что происходит с объектом, который падает на поверхность «клубка»? Это тема нынешних дискуссий. Можно подумать, что объект разрушается, как если бы он упал на поверхность Земли. И в самом деле, некоторые люди, работающие с «клубками», говорят, что так и обстояло бы дело. Но есть вторая возможность, называемая дополнительностью, — идея, восходящая в своих ранних формах к Хофту и Сасскинду. В квантовой механике каждая система характеризуется набором частот. Таким образом, в классической картине черной дыры есть набор частот, который описывает падающие объекты. В случае с клубком не существует места, куда падать, но объект, ударяясь о поверхность, возбуждает колебания этой поверхности с другим характерным набором частот.

Что, если эти два набора частот одинаковы? Тогда информация об объекте, падающем на поверхность «клубка», может быть голографически закодирована на поверхности «клубка», и изменения этой поверхности будут воспроизводить всю динамику падения внутрь черной дыры. Таким образом, объект не будет «ощущаться» уничтоженным. Версия этого есть в идее Малдасены о двойственности калибровочной гравитации: объекты, падающие на трехмерные листы (браны), получают энергию, преобразованную в колебания этих листов, но в «двойном» описании кажется, что они продолжали падать через пустое пространство.

В 2012 году группа авторов утверждала, что картина взаимодополняемости Сасскинда нежизнеспособна. В сущности, аргумент указывал, что если динамика поверхности черной дыры точно воспроизводит физику вакуумного горизонта, то опять возникал бы парадокс Хокинга о потере информации. Если невозможна взаимодополняемость, то, как утверждают авторы, поверхность должна будет уничтожать все, что на нее падает, то есть вести себя как файервол. Но в случае с «клубками» было уже ясно, что понятие дополнительности потребует небольшой модификации. Поверхность одного «клубка» немного отличается от поверхности любого другого, если эти различия должны хранить данные о дыре. Таким образом, голограмма на поверхности «клубка» будет иметь небольшие дефекты, позволяя лишь приблизительное кодирование информации о падающем объекте.

Как я показал в работе с Дэвидом Тертоном, частоты, описывающие классическую картину черной дыры, и фактический «клубок» могут быть примерно равны, но не точно равны. Приближение становится тем лучше, чем больше размеры дыры. В моей недавней статье я построил модель, которая демонстрирует эту приблизительную голографию. Эта модель, таким образом, показывает лазейку в аргументе о файерволе: сторонники файервола утверждали, что, поскольку точная голография была невозможна, падающий объект должен чувствовать, что он сгорает. Но, так как возможна приблизительная голография, нельзя прийти к этому выводу.

Перспективы

Парадигма «пушистого клубка» предоставляет возможность разрешить различные парадоксы, возникающие в квантовой физике черных дыр. Было бы очень интересно проверить все аспекты этой парадигмы и увидеть, изменяет ли она наше понимание других особенностей гравитации, таких как сингулярность во время Большого взрыва. В черной дыре классическая физика предсказывает, что большое количество материи будет сжато в точку с бесконечной плотностью. Но теория струн говорит нам, что с квантово-механической точки зрения это не так, из-за эффектов теории струн физика полностью меняется. Когда мы прослеживаем историю нашей Вселенной вплоть до Большого взрыва, классическая теория описывает его как сжатие огромного количества материи в одну точку. Было бы очень интересно узнать, изменит ли теория струн это объяснение и даст ли ясное понимание того, каким было начало нашей Вселенной.

Твоим друзьям это понравится!