Всё так запутанно! Что нужно знать об исчезновении информации в черной дыре

Леонард Зюскинд, пионер теории струн, голографического принципа и других больших идей современной физики, недавно предложил возможное решение важного вопроса, касающегося черных дыр.

Вопрос звучит так: как могут эти загадочные невидимые сферы сохранять свой наружный размер (с точки зрения наблюдателя), при этом бесконечно увеличивая свой внутренний объем?

Леонарду Зюскинду сейчас 78 лет. Вместе с коллегами он написал серию публикаций и провел несколько дискуссий о том, что увеличение объема черных дыр связано с ростом их запутанности. Эта идея уже сейчас стала движущей силой современной мысли о квантовой природе гравитации внутри черных дыр.

Грубо говоря, черные дыры представляют собой сферические области с настолько гигантским уровнем притяжения, что покинуть их не может даже свет.

Впервые о них заговорили столетие назад, когда их существование вытекало из некоторых уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Затем стали обнаруживаться астрономические объекты, по своим свойствам крайне схожие с теоретическими черными дырами (например, это могут быть гравитационные поля вокруг сколлапсировавшей звезды, так называемые черные дыры звездных масс).

Согласно теории Эйнштейна, сила гравитации существует в пространственно-временном континууме; в черных же дырах сила гравитации настолько велика, что точка сингулярности в центре искажает ткань пространства-времени. В рамках общей теории относительности процесс гравитационного коллапса никогда не останавливается.

Даже если снаружи размер черной дыры кажется неизменным, ее объем постоянно растет по мере растягивания пространства вокруг ее центра.

Легче всего представить черную дыру как трехмерную воронку в двухмерном пространстве-времени: с поверхности листа можно попасть в раструб воронки, а ее нижний конец бесконечно стремится вниз и не имеет дна. Края воронки — это и есть горизонт событий, точка невозврата для всего, что попадет в эту воронку.

Начиная с 1970-х годов физики начали признавать, что черные дыры должны представлять собой некоторого рода квантовые системы (как и всё во Вселенной). То, что теория Эйнштейна описывает как искривленное пространство-время, в действительности может представлять собой огромное скопление гравитационных частиц (гравитонов), описанием чего занимается квантовая теория гравитации. В таком случае все известные свойства черных дыр должны быть связаны со свойствами квантовых систем.

В 1972 году израильский физик-теоретик Яаков Бекенштейн рассчитал, что площадь поверхности горизонта событий черной дыры соответствует ее энтропии — то есть количеству возможных микроскопических комбинаций частиц внутри нее (потенциальное количество информации, которое может в ней храниться).

Догадка Бекенштейна два года спустя помогла Стивену Хокингу доказать, что черные дыры излучают тепло, и это тепловое излучение приводит к медленному испарению дыр.

Такое явление положило начало обсуждению так называемого парадокса исчезновения информации в черной дыре.

В чем суть парадокса? Дело в том, что, согласно принципам квантовой механики, Вселенная сохраняет всю информацию о прошлом. Но что происходит с информацией о попадающих в черную дыру объектах, которые стремятся к сингулярности? Она тоже испаряется?

Теоретики квантовой физики многие десятилетия обсуждают взаимосвязь между поверхностью черной дыры и ее информационным содержимым. Но вот еще более интересный вопрос: как увеличение ее объема сказывается на ее квантовой природе? Что конкретно при этом растет?

В последние годы благодаря росту сферы квантовых вычислений физики получили новые данные о системах вроде черных дыр, изучая их возможности обработки информации. Если подходить с этой точки зрения, можно потихоньку приблизиться к пониманию того загадочного свойства, которое заставляет расти черную дыру в объеме.

Итак, по мнению Зюскинда и его коллег, при росте объема меняется запутанность черной дыры, грубо говоря, количество вычислительных операций, которое понадобилось бы для ее возвращения в свое изначальное квантовое состояние.

Исходное квантовое состояние — это момент формирования черной дыры. После формирования частицы внутри нее начинают взаимодействовать друг с другом, и информация об исходном состоянии становится всё более запутанной. Так и растет уровень запутанности.

С помощью голографических изображений ученые продемонстрировали, что уровень запутанности и объем черной дыры растут пропорционально, что может указывать на некоторую причинно-следственную связь между одним и другим.

Если расчеты Бекенштейна показывают, что в черных дырах хранится максимально возможный объем информации, исследования Зюскинда предполагают также рост ее запутанности на максимально допустимой законами физики скорости.

Физик-теоретик Калифорнийского института технологий Джон Прескилл находит идею Зюскинда весьма остроумной: «Удивительно, как понятие вычислительной запутанности, знакомое любому представителю компьютерных наук, но отсутствующее в арсенале среднестатистического физика, может дать ответы на вопросы общей теории относительности».

Конечно, научный мир пока размышляет над практическим применением идеи Зюскинда. Стэнфордский теоретик Арон Волл называет это предположение «заманчивым, но пока излишне умозрительным».

Специалист по черным дырам из Института продвинутых исследований в Принстоне Дуглас Стэнфорд делится своим видением: «…У черных дыр есть что-то вроде внутренних часов, которые очень долго хранят время. В обычной квантовой системе это представлено в виде запутанности состояния. А в системе черной дыры это — размер области за горизонтом событий».

Если за объем черных дыр отвечает именно запутанность, идея Зюскинда может предопределить будущее наших знаний о космосе.