Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Хокинг изложил идею об излучении черных дыр с их последующим испарением, пользуясь методами традиционной квантовой теории поля, но в контексте искривленного пространства-времени из общей теории относительности, а не в контексте физики частиц, где гравитация не учитывается. Результат Хокинга не является сугубо квантово-гравитационным, само пространство-время здесь трактуется с классической точки зрения, а не как часть волновой функции. Однако этот сценарий, по-видимому, вполне понятен и без глубоких знаний квантовой гравитации. Насколько известно физикам, излучение Хокинга – устойчивый феномен. Иными словами, везде, где мы усматриваем квантовую гравитацию, должны воспроизводиться результаты Хокинга.

Здесь возникает проблема, которая получила печальную известность в среде физиков-теоретиков как «информационный парадокс черных дыр». Как вы помните, квантовая механика в многомировой интерпретации – детерминированная теория. Случайный компонент в ней только кажущийся, он возникает из-за неопределенности самолокализации, когда волновая функция ветвится, и мы не знаем, в которой из веток оказались. Но, по расчетам Хокинга, изучение черных дыр не является детерминированным: оно полностью случайно, даже без какого-либо ветвления. Если исходить из точного квантового состояния, описывающего материю, которая коллапсирует и образует черную дыру, не существует способа, который позволил бы точно вычислить квантовое состояние излучения, испускаемого черной дырой. По-видимому, информация, описывающая исходное состояние, теряется.

Предположим, вы взяли книгу – например ту, что сейчас читаете, – 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[25].

⚪ ⚪ ⚪

Предположение Хокинга о том, что черные дыры испускают излучение, не возникло из ниоткуда. Оно было выдвинуто в ответ на гипотезу Якова Бекенштейна, который в те времена также был аспирантом Джона Уилера в Принстоне, о том, что у черных дыр должна быть энтропия.