"Острова запутанности", выплывающие из черных дыр, могут разрешить парадокс Стивена Хокинга

Измерение "островов запутанности", содержащих копии информации, которую потеряли черные дыры, может помочь нам найти ответ на информационный парадокс Стивена Хокинга

Ничто не может ускользнуть от чудовищной гравитации черной дыры, но, возможно, нам все же удастся понять, что происходит в ее недрах, Science Lab/Alamy

Возможно, ученые смогут выяснить, что происходит с материей, падающей в черную дыру, что прежде считалось невозможным. Это связано с тем, что некоторые части "внутренностей" черной дыры, так называемые "острова", могут выходить достаточно далеко за ее пределы, где мы их сможем измерить и изучить. Если это удастся сделать, то давний парадокс черных дыр Стивена Хокинга, возможно, будет наконец-то разрешен.

В 70-х годах прошлого века Стивен Хокинг пришел к выводу, что если применить законы квантовой механики к сфере вокруг черной дыры, куда свет больше не может проникнуть, так называемому горизонту событий, то от черной дыры должно исходить излучение. А это значит, что черная дыра медленно "испаряется". Этот эффект назвали излучением Хокинга.

Излучение Хокинга, несущее в себе лишь часть информации обо всем, что засасывается всепоглощающей гравитацией черной дыры, в конечном итоге приведет к ее полному испарению, что создает парадокс. Согласно законам квантовой физики, информация не может бесследно исчезнуть, но если что-то падает в черную дыру, а излучение Хокинга содержит только часть информации об этом, то, когда ЧД испарится, некоторое количество информации будет потеряно навсегда.

Конкурирующие теории

Физики выдвинули немало теорий пытаясь разрешить этот парадокс, но самые популярные из них сосредоточены на том, что происходит с излучением Хокинга после его появления. В одной из таких гипотез, названной комплементарностью черных дыр, говорится, что на самом деле потерянная информация хранится на границе черной дыры и одновременно проходит через горизонт событий, при этом для наблюдателя этот процесс представляется по-разному в зависимости от того, попал ли он в черную дыру или остался снаружи.

К центру нашей Галактики на скорости 400 км/с приближается сфероидальный звездный кластер

Создается впечатление, что в этом случае создаются две "копии" информации, что нарушает фундаментальный принцип квантовой механики, называемый теоремой о запрете клонирования, но на самом деле эти копии - просто разные точки зрения, описанные в теории относительности Альберта Эйнштейна, так что ни один наблюдатель одновременно не сможет их увидеть.

Однако в 2012 году группа исследователей обнаружила сценарии черных дыр, в которых подобная комплементарность способна обеспечить наблюдателю одновременный доступ к обеим копиям, что нарушает теорему о запрете клонирования. В качестве возможного решения этой проблемы исследователи предположили, что вокруг горизонта черной дыры существует высокоэнергетический "файервол", при контакте с которым все разрушается вновь, разделяя две копии.

О том, какая из интерпретаций верна, физики спорят уже более десяти лет. Казалось, что решить этот вопрос с помощью эксперимента невозможно, поскольку для этого нужно отправить

Острова запутанности черных дыр

И вот в 2019 году исследователи обнаружили, что для некоторых упрощенных моделей черных дыр информация об их внутреннем устройстве может быть обнаружена на поверхности горизонта событий, в так называемых "островах запутанности".

На горизонте событий черной дыры есть виртуальные пары частиц, которые то появляются, то исчезают. Если такую квантово запутанную пару разделить горизонтом событий, то одна частица останется в черной дыре, а другая вылетит наружу в виде излучения Хокинга.

Прорыв в области изучения черных дыр способен решить информационный парадокс. Cavan Images / Лука Пьерро//Getty Images

Если бы нам удалось измерить островки запутанности, мы бы узнали, что происходит с частицами оставшимися в плену черной дыры и с информацией, которая, возможно, дублируется, если подход комплементарности верен.

Удивительно, но исследователи обнаружили, что такие островки могут даже немного "выплывать" за пределы горизонта событий. При этом расстояние, на которое они "высовывались", не могло быть больше наименьшей допустимой длины, позволяющей оценивать физические эффекты. Поэтому такие островки показались ученым скорее математическим курьезом, чем физической реальностью.

Недавно Рафаэль Буссо и Джефф Пенингтон из Калифорнийского университета в Беркли выяснили, что для более сложных черных дыр, подобных тем, что реально существуют в нашей Вселенной, такие островки могут простираться дальше горизонта событий. В случае с сверхмассивной черной дырой такая разница может достигать длины атома, что повышает вероятность ее изучения.

"Нам удалось доказать, что такие острова действительно выступают за горизонт черной дыры довольно далеко, и в принципе нет никаких препятствий для их изучения и возвращения обратно на Землю", - считает Буссо. "На самом деле все это довольно драматично, потому что означает, что существует чрезвычайно удивительная и радикальная новая физика. Она больше не скрыта за горизонтами черных дыр и не удивляет вас, при попытке прыгнуть в черную дыру, и в принципе уже доступна для нас".

Измерение параметров черных дыр

Для того чтобы доставить научный прибор к горизонту событий черной дыры, потребуются гораздо более совершенные технологии, чем наши существующие космические корабли. К тому же ближайшая достаточно массивная черная дыра потенциально способная иметь островки запутанности, находится в тысячах световых годах от нас. Впрочем, как говорит Буссо, "имея футуристические технологии, законы физики не могут запретить вам ее исследовать".

Нейтрино в сверхновых способны сломать все наши представления о современной физике

"Вам нужно всего лишь приблизиться к горизонту событий ЧД на расстояние, равное размеру атома, а затем вновь удалится на безопасное расстояние. Это невероятно сложно сделать. Точнее, очень, очень трудно", - поясняет Пенингтон. Можно было бы упростить эту задачу, если бы сама черная дыра была электрически заряжена, что теоретически допустимо, но маловероятно, учитывая, что Вселенная электрически нейтральна.

Тогда если бы ваш космический корабль (инструмент) имел заряд, противоположный заряду черной дыры, то, после того как вы подберетесь к ней достаточно близко и сделаете все необходимые измерения, его можно было бы вновь отбросить назад.

"Если аппарат будет разрушен до того, как достигнет горизонта событий, в результате какого-то иного явления, кроме известных физических эффектов, например радиации или гравитационных приливных сил, это будет означать, что версия с файерволом верна", - говорит Пеннингтон. "А если же инструмент вернется в целости и сохранности, то это будет свидетельством того, что верна гипотеза комплементарности".

"Если нам удастся дифференцировать комплементарность от файервола, это будет очень важным событием", - считает Хуан Мальдасена из Института перспективных исследований (англ. Institute for Advanced Study, IAS) в Принстоне (штат Нью-Джерси). Но даже с учетом сложности эксперимента он не уверен, что нам удастся "провернуть" все это с реальной черной дырой. Тем не менее, он утверждает, что существует альтернатива, которая не требует опасного приближения к черной дыре. "В каком-то смысле вы можете провести это наблюдение, не рискуя жизнью".

"Вы вряд ли сможете сделать это с реальной черной дырой, но, возможно, сможете сделать нечто подобное с виртуальными черными дырами, которые можно создать в лаборатории", - говорит Мальдасена. "Разумеется, они не будут похожи на те огромные черные дыры, которые существуют в нашей Вселенной. Это будут крошечные микроскопические “черные дырочки”. Именно на них можно попытаться измерить этот эффект".

Представление художника о черной дыре, Shutterstock / Dima Zel

Самым оптимальным вариантом будет моделирование такого "островка запутанности" на квантовом компьютере. По расчетам Мальдасены, для этого потребуется всего-то на всего ПК на 1 миллион кубитов, что гораздо больше, чем 1121 кубит в самом мощном на сегодняшний день квантовом компьютере от IBM. С другой стороны, возможно, удастся проверить наличие таких островов в более простых моделях, требующих гораздо меньшего количества кубитов, считает ученый.