«Файрвол» темных дыр поставил в тупик теоретическую физику

    Темная прореха. Иллюстрация.

    Ежели новенькая догадка об некоторой «стене огня» (firewall) в полюбившемся людям значении за горизонтом обстоятельств темных дыр окажется верной, минимум одно из трех базовых понятий в теоретической физике будет поставлено под вопросец. Этот вопросец изучается физиками уже подле года, и недавняя конференция только разогрела энтузиазм граждан от науки. И расстроила них.

    Стоит ли предотвратить сразу же, что для тотального понимая трудности, для вас надо аристократию хотя бы тривиальные понятия квантовой механики. Вы наверное понимаете, что в микромире крупицы ведут себя не совсем только как только бейсбольные мячики, да и как только волны. Предположить некие квантовые процессы — можно с разума сойти, однако тем самым увлекательнее будет наряду с физиками озадачиться неувязкой файрвола.

    Алиса и Боб, излюбленные персонажи различных мысленных тестов в квантовой механике, оказались в ужасной ловушке. Авантюрная и немного невразумительная Алиса прыгает в большую темную прореху, оставляя бедняжку Боба за горизонтом обстоятельств — за пределами точки невозвращения темной прорехи, перейдя которую можно исключительно в одном направлении без шанса возвратиться. Что далее?

    Обычно, физики подразумевают, что ежели темная прореха будет довольно объемной, Алиса и не увидит ничего удивительного по мере скрещения горизонта обстоятельств (наиболее тщательно переживания человека в этакий ситуации мы обрисовывали тут). Благодаря чему сценарию, который ярко именуется «ничего страшного», гравитационные силы и не предстанут экстремальными, пока что женщина будет двигаться по направлению к точке сингулярности. А уж там Алиса перевоплотится в макароны.

    Новенькая догадка подразумевает, что нищенскую Алису ожидает куда объемная драма, чем она рассчитывала. Может быть, пока что ничего и не подозревающая Алиса будет пересекать горизонт обстоятельств, она столкнется с файрволом, который испепелит ее в момент. Ежели догадка окажется верна, минимум одно из трех базовых понятий в теоретический физике, как только мы уже сообщили, закончит быть вопросцем обсуждения.

    Когда прошедшим в летнюю пору на обсуждение был вынесен сценарий «огненной смерти» Алисы, почти все из светил науки оказались озадачены.

    «Моя первая реакция существовала этакий: да вы шутите», — разговаривает Рафаэль Буссо (Raphael Bousso), физик из Вуза Каролины в Берклии.

    Первым делом физик решил, что массивный контраргумент поставит выскочку-гипотезу на пространство. Однако опосля бурного обсуждения тематики посреди сильных физиков, ей же был дан карт-бланш на правах феномена. Парадоксов в квантовой механики — масса, и какой-то из них мы не так давно обсуждали, пытаясь осознать, может ли во Вселенной быть Высший ум? (Да-да, за исключением консульства Hi-News.ru в Twitter). Однако в том случае альтернативные силы — пламенные — врубились в спор.

    Файрвол — это же компьютерный термин. Практически — межсетевой дисплей, и не пропускающий то, чему и не положено проходить. В нашей статье файрвол будет воспринимать определенно этакое же значение, лишь расположится меж горизонтом обстоятельств темной прорехи и ее сингулярностью.

    «Адское варево»

    Моногамность квантовой запутанности.

    Физические парадоксы это же типичный путь решения главных неурядиц. В базе головоломки, которую мы ныне пытаемся распутать, покоится конфликт меж тремя постулатами, излюбленными почти всеми физиками. В частности:

    1. Первый, основанный на принципе эквивалентности общей теории относительности, отрисовывают сценарий «ничего страшного»: так как Алиса присутствует в вольном падении, пересекая горизонт обстоятельств, и нет различия меж вакантным падением и инерциальным движением, она и не обязана испытывать экстремальное воздействие гравитации.

    2. Второй постулат основан на унитарности, предположении, что, по законам квантовой механики, информация, канувшая в темную прореху, и не будет невозвратно утеряна. Унитарность в квантовой механике — это теорема тамошнего, что все вероятные вероятности действия равны единице.

    3. Третий — «нормальная» физика, другими словами допущение, что снутри темной прорехи физика будет ишачить как всегда, даже ежели в конкретный момент начнет выбрасывать фокусы — в сингулярности либо на горизонте обстоятельств.

    Совместно эти три понятия составляют то, что Буссо в сердцах именует «адским варевом». Дабы разрешить феномен, один из трех обязан быть принесен в жертву, однако физики ничуть и не умеют решить, кого казнить, а уж кого помиловать.

    Физикам нелегко отрешаться от постулатов, испытанных временем. Вот посему почти все сочли возникновение «файрвола» практически зловредным. «Это неестественно», — заявил Джон Прескилл на неофициальной конференции в Калифорнийском технологическом колледже, устроенной Леонардом Саскиндом. В течение двух дней подле полусотни физиков вбрасывали безумные идеи, пытаясь разрешить феномен, сопровождаемый обезумевшим стучанием мелков, которыми выписывали уравнения на доске. Однако ко всеобщему огорчению, даже самым отчаянным критикам догадки «огненной стены» пришлось сдаться: поиск решения далек от окончания.

    По воззрению Джозефа Польчински, теоретика теории струн в Калтехе, простым решением является то, что принцип эквивалентности разваливается на горизонте обстоятельств, порождая файрвол. Польчински и сам считает, что мысль безрассудна, однако «огненная стена» будет менее конструктивным возможным разрешением вопросца.

    Ежели в догадке «огненной стены» и существуют ошибка, она неочевидна. А уж это же, в собственную очередь, угрожает возникновением прочного научного феномена. И все это же на фоне тамошнего, что физики-теоретики обеспокоены на совесть выносливым положением Обычной фотомодели ввиду недавнешнего открытия бозона Хиггса. Заданных и не хватает, однако парадоксы умножаются.

    Однако ежели же группа под управлением Польчинского ошибается, физика обязана предпринять массивный рывок вперед, и может быть даже подобраться поближе к теории квантовой гравитации. Темные прорехи заинтересовывают физиков сначала поэтому, что к ним применяется и общественная теория относительности, и квантовая механика — чего же и не скажешь об остальных объектах во Вселенной, за субатомный уровень которых отвечает квантовая механика, а уж в макромире — общественная теория относительности. Два этих «свода законов» отлично ишачят раздельно друг от друга, однако физики безрассудно намерены сплотить них, чтобы пролить свет на этакие аномалии, как только темные прорехи, а уж означает и на происхождение Вселенной. Что существовало перед началом Немалого взрыва — толпу теорий мы разбирали раньше.

    Это же преамбула. Давайте же, давайте перейдем к десерту и выясним, над чем физики разламывают голову.

    Феномен запутанности


    Трудности максимально стройные и сложноватые — если бы они были примитивными, и не существовало бы феномена — однако большинство аргументов группы Польчинского (которую во всем мире физиков именуют AMPS — по первым буковкам фамилий четверых пенисов команды) употребляет принцип моногамной квантовой запутанности. Вы сможете получить лишь один тип запутанности единовременно. AMPS полагают, что надо два различных типа квантовой запутанности, дабы все три постулата «адского варева» были верными. Однако так как по правилам квантовой механики у вас и не возможно две различных запутанности, один из трех постулатов обязан быть убран.

    Квантовая запутанность — которую Альберт Эйнштейн высмеивал как только «пугающее воздействие на расстоянии» — это же ладно популярная индивидуальность квантовой механики. В мысленном опыте Алиса и Боб воображают собой пару запутанных частиц. Когда субатомные крупицы сталкиваются, они умеют быть невидимо сопряжены, хотя на физическом уровне — разъединены. И даже на дистанции они неразрывно сопряжены и воздействуют как только единый объект (дистанция возможно сколь угодно величавой, однако экспериментально удалось «телепортировать» запутанные крупицы на расстояние в 97 км). А уж означает, один партнер может молниеносно познать состояние иного. Загвоздка только в фолиант, что запутать спецефическим образом (читай — с конкретным типом) можно лишь одну пару частиц сразу. Ныне объясним.

    В традиционной физике, как только поведал Прескилл, Алиса и Боб умеют иметь по клоны одной и той самой же газеты, а уж означает иметь доступ к одной инфы. Производство этакий взаимосвязи определяется как только «сильная корреляция». Третий персонаж — Кэрри — тоже может выкупить копию газеты и получить доступ к той самой же инфы, что и первые два. Это же и не обессилит корреляцию Боба и Алисы. Грубо говоря, кто угодно может выкупить ту самую же газету и предстать участником мощной корреляции.

    Однако в квантовой механики все ишачит и не эдак. Дабы Боб и Алиса были очень запутаны, них газеты обязаны лежать в одном и фолиант же положении, сверху-донизу и слева-направо. И когда газеты будут нацелены однообразным образом, Алиса и Боб будут приобретать доступ к одной инфы.

    «Поскольку существуют лишь один метод читать традиционную газету и огромное количество — читать квантовую газету, квантовая корреляция куда мощнее, чем классическая», — объясняет Прескилл. Как следует, ежели Боб будет очень запутан с Кэрри, придется пожертвовать запутанностью с Алисой.

    Неполадка в фолиант, что существуют все больше, чем один тип запутанности в случае с темной прорехой, и по догадке AMPS, две из их конфликтуют. Это же запутанность меж Алисой, падающей в темную прореху, и Бобом, который востребован для сценария «ничего страшного». Существуют и вторая запутанность, которая рождается из еще одного феномена в физике, затрагивающего вопросец о исчезновении инфы в темной прорехе. В 1970 году Стивен Хокинг представил, что темные прорехи на деле и не вконец темные. Хотя Алиса ничего странноватого и не увидит во время скрещения горизонта обстоятельств, Боб обнаружит пылающий фрагмент угля — излучение Хокинга.

    Излучение Хокинга — результат виртуальных частиц, вылетающих из квантового вакуума рядом с темной прорехой. Привычно они сталкиваются и аннигилируют с выбросом энергии, однако время от времени одна улетает в темную прореху, а уж иная — в космос. Толпа темной прорехи, которая обязана немного уменьшаться, компенсируя этот спецэффект и убеждаясь, что энергия сохраняется, как будто «подмигивает» нам. Скорость испарения темной прорехи находится в зависимости от ее объема: чем все больше темная прореха, тем самым медлительнее она испаряется.

    Хокинг представил, что как излучение улетучивается, неважно какая информация об темной прорехе, содержащаяся в излучении, будет потеряна.

    «Бог не попросту играется в кости, он время от времени сбивает нас столку, бросая них там, где мы них и не видим», — однажды произнес он.

    Наряду с физиком из Калтеха Кипом Торном они даже поспорили с Прескиллом в 1990 году (об результатах пари сможете познать тут) об фолиант, исчезает ли информация в темной прорехе либо нет. Прескилл был за второй случай. Хокинг и Торн — за первый. Напоследок, физики сделали вывод, что информация сохраняется: по мере испарения темной прорехи, излучение Хокинга обязано становиться все наиболее запутанным с площадью за пределом горизонта обстоятельств. Потому, пока что Боб следит за излучением, он извлекает информацию.

    И вот первостепенный вопросец: что произойдет, ежели Боб сравнит собственную информацию с информацией Алисы опосля тамошнего, как только она пересечет горизонт обстоятельств?

    «Это будет катастрофа», — разговаривает Буссо. — «Потому что Боб, наружный наблюдающий, лицезреет идентичную информацию в излучении Хокинга [поскольку оно содержит квантовые крупицы, запутанные с частичками снутри темной дыры], а уж означает ежели он захотит обсудить это же, возникнет квантовое «ксерокопирование», которое строго запрещено в квантовой механики».

    Физики под управлением Саскинда заявили, что расхождение меж этими двумя точками зрения на темную прореху будет хорошо соблюдаться, пока что Алиса и Боб будут разделяться собственной информацией. Это же понятие под заглавием взаимодополняемости ординарно и не будет иметь в виду прямого противоречия, так как ни один отдельный наблюдающий и не возможно как только извне, эдак и снутри горизонта обстоятельств. Ежели Алиса пересечет его, обнаружит суперзвезды за его пределами и захотит поведать Бобу о этом, общественная теория относительности отыщет методы приостановить ее благие намерения.

    Аргумент Саскинда об фолиант, что информация возможно восстановлена без квантового «ксерокопирования», был так убедительным, что Хокинг признал собственный проигрыш в 2004 году. Однако полностью может быть, что Торн, который перед началом крайнего сопротивлялся, был тем не менее прав.

    Файрвол рождается вследствие последующего: ежели, как только предпочитает мыслить большая часть физиков, информация в темной прорехе и не утрачивается (опосля попадания туда с материей из окружающего темную прореху мира) и ее можно нормализовать по испускаемому дырой излучению Хокинга, то налицо противоречие меж квантовой запутанностью Алисы и Боба и квантовой запутанностью темной прорехи и ее окружения. Боб, выходит, идиентично очень квантово сцеплен сразу же и с Алисой, и с «третьим лицом», которое физики именуют Кэрри. Но квантовая механика воспрещает идиентично мощную квантовую запутанность меж наиболее чем двумя частичками: квантовая запутанность «моногамна», либо Боб и не может присутствовать в идиентично очень сцепленном состоянии сразу же и с Алисой, и с Кэрри.

    Буссо решил, что взаимодополняемость может разрешить феномен «файрвола». Однако скоро осознал, что сего недостаточно. Взаимодополняемость — это же теоретическая концепция, разработанная для решения заядлой задачки, в частности согласования двух точек зрения наблюдателей за пределами и снутри горизонта обстоятельств. Однако «огненная стена» присутствует вконец чуточку за пределами горизонта обстоятельств, давая Алисе и Бобу одну точку зрения на двоих, а уж означает взаимодополняемость и не разрешит вопросец.

    Кое-где подле квантовой гравитации


    Ежели физики намерены избавиться от пламенной стенки и сохранить сценарий «ничего страшного», им же придется определить новое теоретическое осознание данной неповторимой ситуации либо признать, что Хокинг, может быть, был прав, утверждая, что информация утрачивается, а уж означает Прескиллу придется восстановить должок. В целом, Прескилл был много удивлен, понимая, что ему же с сотрудниками придется пересмотреть вероятность утраты инфы. Хотя мы и не лицезреем смысла в квантовой механике без унитарности, «это и не значит, что она разработана перед началом конца», помечает Прескилл. Во всяком случае, собственную жизнь на унитарность он бы и не поставил.

    Польчински настаивает на фолиант, что Алисе и Бобу надо быть запутанными, дабы сохранить сценарий «ничего страшного», и надо излучение Хокинга, дабы быть запутанным с зоной за пределами горизонта обстоятельств, дабы сохранить квантовую информацию. Однако и не то и альтернативное сразу. Ежели вы пожертвуете запутанностью излучения Хокинга с площадью за горизонтом обстоятельств, вы потеряете информацию. Ежели вы пожертвуете запутанностью Алисы и Боба, вы получите «файрвол», который просто убьет Алису не дозволит вывести информацию.

    «Квантовая механика и не подарит обоим присутствовать там», — разговаривает Польчински. — «Если вы потеряете запутанность меж падающей Алисой и Бобом, другими словами наблюдателями, вы породите конкретную непостоянность в квантовом состоянии горизонта обстоятельств. Ежели вы разорвете цепочку, в каком-то смысле, сломанная цепочка востребует энергии. А уж означает, будет некоторый файрвол, который и не подарит этому случиться». Чудо.

    Это же следствие вытекает из тамошнего факта, что запутанность меж зоной за пределами горизонта обстоятельств и излучением Хокинга обязана возрастать по мере тамошнего, как только темная прореха испаряется. Когда приблизительно половина массы темной прорехи испаряется в никуда, темная прореха становится очень запутанной и переживает что-то вроде кризиса посредственного возраста. Прескилл поясняет: «Это как только если б сингулярность, которую мы ждали определить глубоко в темной прорехе, покоится вслед за горизонтом обстоятельств, когда темная прореха уже стара». В итоге столкновения сингулярности и горизонта обстоятельств и возникает этот чудовищный файрвол.

    Даже само представление об фолиант, что сингулярность мигрировала из пучины темной прорехи ближе к горизонту обстоятельств, расстроило физиков. Это же чудовищный удар по общей теории относительности, полагает Буссо.

    При всем скептицизме относительно файрвола, он заслужил быть виновником торжества. Буссо от всей души полагает, что это же самое увлекательное, что бывало с ним с того времени, как только он предстал физиком. И физику от всей души подфартило застать рождение сего феномена.

    Гибель Алисы от файрвола, судя по всему, станет традиционным мысленным тестом в физике. Чем все больше физики выяснят об квантовой гравитации, тем самым все больше отличий возникает на фоне общеизвестной картины работы вселенной. Физики кладут собственную веру на жертвенник ради научно-технического прогресса. Сейчас им же придется пожертвовать или сценарием «ничего страшного», или унитарностью, ну либо сердито переделать квантовую теорию поля. Даже ежели файрвол — это же ужасная ошибка, физики наверное выяснят что-то новое.

    Родник: scientificamerican.com