Стіна вогню навколо чорної діри

Чорна діра

Гравітаційні хвилі, можливо, донесли до нас  інтригуючі натяки на те, як влаштовані чорні діри і який саме розділ фізики вони злісно порушують

У цій замітці розповідається про деяку властивість гравітаційних хвиль, зареєстрованих детектором LIGO. Сама новина, якщо ми очистимо її до голої фабули, полягає ось у чому: при злитті чорних дір начебто спостерігається невелике відлуння, що доходить до нас через 0,1, 0,2 і 0,3 секунди.

Широкий контекст

Спершу думали, що коли щось падає в чорну дірку, то воно залишається там назавжди.

Потім Стівен Хокінг придумав ось що: якщо з вакууму випадково виникне пара частинок - а з вакуумом таке трапляється - і одна з них провалиться в чорну діру, а друга уникне цієї долі, то, по-перше, частка, що провалилася, трохи зменшить масу діри (тому що у цієї частки негативна енергія, але краще про це не думати). А по-друге, частку, що полетіла (з позитивною енергією), можна розглядати як випромінювання чорної діри. Тобто чорна діра весь час випромінює «хокінгове випромінювання», поки не випарується остаточно. Чорні діри не вічні.

Потім фізики почали сперечатися про те, куди ж дівається інформація, яка провалилася в діру. Якщо діра вічна, то інформація (наприклад, файли у вашому ноутбуці, який ви туди впустили, або думки вашого мозку, якщо ви впали в дірку самі) може там і залишатися без всякого парадоксу; але якщо діра випарується, то куди подінеться інформація? Квантова механіка забороняє їй зникати. Був запропонований наступний варіант: хокінгове випромінювання має бути «заплутаним» (в квантовому сенсі) з ноутбуком, що перетнув горизонт подій, і нести в зашифрованому вигляді інформацію, яка там була. Сам Хокінг до пори до часу вважав, що інформація зникає в дірі без сліду, але потім погодився з доводами опонентів; про це оповідає книжка Леонарда Сасскінд «Битва при чорній дірі».

Якщо спростити все до непристойності, проблема, з якою мучилися фізики, полягає ось у чому. Якщо чорна діра досить велика, то горизонт подій від неї досить далеко, і, пірнувши під нього, ви можете щасливо прожити там залишок днів. Відповідно до теорії Ейнштейна, ви в принципі не здатні помітити момент перетину горизонту - з тих же причин, за якими вільний політ на земній орбіті ніяк не відрізнити від вільного польоту в порожнечі, а відчуття в падаючому ліфті - від невагомості. На цьому, власне, стоїть теорія Ейнштейна.

Але якщо хтось буде спостерігати за вами з боку, він неодмінно повинен побачити, як в момент перетину горизонту інформація, укладена в вашому тілі, розлучається з її матеріальним носієм і залишається з зовнішньої сторони від горизонту. Всередину провалюється чиста маса (тобто енергія), зовні залишаються ваша особистість, думки і почуття, перекодвані до невпізнання в частки, що кишать навколо горизонту.

Пояснимо простими словами: коли вам кажуть, що «інформація, укладена в вашому тілі, буде перекодована в випромінювання» - це делікатний спосіб повідомити, що вас спалять.

Таким чином, зовнішній спостерігач побачить «вогняну стіну», оточуючу горизонт, яка спалює все, що її перетинає.

З цього моменту фізики полюбили обговорювати феномен «вогняної стіни» (firewall), що виникає на стику квантової механіки (яка вимагає збереження інформації) і теорії Ейнштейна (яка вимагає, щоб горизонт подій був зовсім непомітним для того, хто під нього провалився). Чи є тут парадокс? Поки немає. У теорії відносності повно прикладів, коли один спостерігач бачить одне, а інший - інше. В даному ж випадку наші спостерігачі взагалі не здатні порівняти свої показання, оскільки один з них вже в чорній дірі, а другий - ззовні.

Квантовій механіці було з цим трохи менш комфортно: в ній існує теорема про заборону копіювання. Це означає, що одна і та ж квантова інформація не може одночасно кодуватися двома різними носіями. Але, переконували себе фізики, в даному випадку парадокс не виникне, тому що для парадоксу і та, і інша інформація повинні бути доступні в акті виміру. А чорна діра в цьому сенсі як Лас-Вегас: те, що відбувається в ній, в ній і залишається, і, залишаючись ззовні, вимір зробити принципово неможливо.

З цим фізики і жили до 2012 року.

Трохи вужчий контекст

До цих пір, розповідаючи про «вогняну стіну», ми з жалості до читачів намагалися рідко згадувати про квантові заплутаності. Але в них і криється головна засада. У нашій замітці під провокаційним заголовком «Всесвіт - не голограма» ми між іншим згадали про статтю, що надихнула Сасскінд і Малдасену на те, щоб розібратися у взаємозв'язках квантової заплутаності і чорних дірок. Четверо науковців показали в ній, що при перетині горизонту подій все ж виникає парадокс, і простий фокус з «двома різними точками зору» - спостерігача, що падає в діру, і його друга ззовні - перестає працювати. Причина, зокрема, в тому, що зона, в якій відбувається «перекодування» впавшого спостерігача в випромінювання, має кінцевий розмір. А значить, квантова заплутаність падаючої в дірку інформації та її копії, що залишається в нашому світі, повинна бути розірвана ще тут, в нашому світі. І при цьому - тут, в цьому світі! - повинна виділитися така енергія, що мало не буде нікому. Це якщо пояснювати зовсім грубо і без «заплутаностей». Але, оскільки «грубо» завжди означає «неправильно», адресуємо допитливого читача до популярної статті в Scіentific American, де все розказано трохи коректніше, хоча теж не без плутанини.

Пояснимо ще раз: падаючий спостерігач повинен згоріти не з точки зору зовнішнього спостерігача, а зі своєї власної точки зору. «Вогонь пече», як висловлювався собакоподібний герой Стругацьких. А значить, рух в полі тяжіння (конкретному полі ось такої спеціальної форми) для нього дуже-дуже відрізняється від ширяння в порожнечі, і теорія Ейнштейна побудована на брехні.

Альтернатива - зникнення інформації або припинення дії законів фізики на деякій відстані від горизонту. Теж не цукор.

Стаття Полчинського і його друзів переполохала не одного Сасскінд: всі фізики відчули недобре. У 2013 році була зібрана конференція, де авторів намагалися зловити на помилку, та так і не спіймали.

А буквально пару тижнів тому, 5 грудня 2016 року, в Маунтен В'ю (Каліфорнія) відбулося вручення «Премій за прорив» (Breakthrough Prizes). Премію з фізики і мільйон доларів отримав Джозеф Полчинський, причому саме за цю саму статтю. Тому що в такому явному вигляді намацати парадокс, що розводить теорію Ейнштейна і квантову механіку по різні боки барикад, - це зовсім не маленький внесок в фізику. Парадокси - її хліб.

Фабула

У ХХ (20) сторіччі фізики-теоретики обожнювали ставити уявні експерименти з чорними дірами, тому що це, мабуть, один з найпростіших і наочних об'єктів, що породжуються теорією Ейнштейна. Експерименти ці були «уявними» тому, що експериментувати з реальною чорною дірою було недоступним задоволенням: їх, власне, ніколи толком і не спостерігали.

Поки теоретики сперечалися про парадокси, звичайні астрономи і астрофізики піднакопичили даних про Всесвіт, з яких, зокрема, випливало, що чорні діри не просто існують, але є дуже поширеним типом об'єктів, присутнім, наприклад, в центрах різних галактик. А трохи більше року тому вперше були зафіксовані гравітаційні хвилі, випущені при злитті двох чорних дір. Це означає, що теоретики назавжди втратили право придумувати безвідповідальні уявні експерименти з дірками: передбачення таких експериментів тепер можна перевірити реальними спостереженнями.

Коли збентежені теоретики обговорювали на конференції 2013 року статтю Полчинського і співавторів, одним з учасників дебатів був Стів Гіддінгс з Санта-Барбари. Міркуючи про те, як примирити «вогняну стіну» з теорією Ейнштейна (відзначимо, що самі ці міркування не надто переконали громадськість), він мимохідь зауважив, що до питання можна підійти експериментально. Якщо дві чорні діри, оточені «вогняними стінами», зіткнуться, то самі ці стіни зроблять особливий малюнок брижів простору-часу, який можна зареєструвати у вигляді гравітаційних хвиль.

Пройшов 2013 рік, прийшов 2015 рік. На детекторі LIGO зареєстрували три сплески гравітаційних хвиль, які прийшли з далеких околиць всесвіту від трьох подій зіткнення чорних дір. А потім настав рік 2016 й, і експериментатори вдивилися в дані своїх детекторів уважніше. І побачили після кожної з подій три «відлуння» - через 0,1, 0,2 і 0,3 секунди. Рівно такі, які повинні бути, якщо дірки оточені «фаєрволами». 1 грудня стаття опублікована online, і тепер фізикам доведеться з нею рахуватися.

При перекладі з дзвінкої мови теоретиків на недорікувате бурмотіння експериментаторів неминуча втрата експресії. Там, де теоретик скаже: «Або так, або світ не має сенсу!» - експериментатор скромно промовить: «Це так, але на рівні менше трьох сигма». Ці сигми відображають той сумний факт, що будь-який ефект може бути випадковим збігом і приречений зникнути при подальшому накопиченні даних. Саме «менше трьох сигм» і відокремлюють ефект вогняних стін, який нібито спостерігається в експерименті LIGO, від статистичного шуму. А це, за загальноприйнятими критеріями, замало. На щастя, всесвіт поки живий і чорні діри продовжують стикатися. Якщо характерне відлуння буде помічене й при інших зіткненнях, значить ось вона, ця сама стіна.

А потім треба буде тільки вдивитися в неї уважніше і розібрати, як же там, біля горизонту подій, все насправді влаштовано. Чому, наприклад, там дає збій добрий ейнштейнівський постулат «поки ти кудись падаєш, ти нічого не помічаєш». І чи дає він збій, або просто фізики неправильно все підрахували. Зрештою, ті самі гравітаційні хвилі, які донесли сюди цю інформацію, - прямий наслідок теорії Ейнштейна. Якщо вона неправильна, то невірний і розрахунок, що дає нам ці самі 0,1, 0,2 і 0,3 секунди між відгомонами луни. І, мабуть, вся інша фізика.

І Стівен Хокінг, який присвятив цій фізиці своє життя, з рівним успіхом міг би зайнятися спортивним покером.

Але щось підказує, що фізика встоїть, а з усієї цієї тривалої на сорок років історії неодмінно вийде щось цікаве. Фізики явно цього чекають, згораючи від цікавості і прикладаючи неабияких зусиль. Мета цієї замітки, зокрема, в тому, щоб нашому шановному читачеві стало хоч на одну соту так само цікаво жити на світі, як їм.

Майже переклад звідси