Ученые увидели стену огня

По мнению героя Венедикта Ерофеева, в центре поэмы Блока «Соловьиный сад» стоит «лирический персонаж, уволенный с работы за пьянку, *** и прогулы». На этом примере можно видеть, что информация вне контекста тривиализируется и может восприниматься неадекватно. Примерно это происходит с новостями из мира физики: читатель и не подозревает, что кроется за простым заголовком «Физики открыли новую частицу». А за ним может крыться, к примеру, трагедия десятков теоретиков, растративших свои жизни в погоне за бесплодной химерой, или неопровержимое доказательство отсутствия Бога и вечной жизни, или, наоборот, финальный штрих, связывающий воедино цельную картину мира и подводящий последний итог всей истории познания. В общем, там может оказаться куда больше драмы, чем журналист способен втиснуть в заметку научно-популярного жанра.

Если же начать разъяснять все тонкие взаимосвязи, всю предысторию вопроса, то статья про новую частицу постепенно превратится в статью под названием «Вся физика», а на такой заголовок ни один читатель не клюнет.

В этой заметке, повествующей о некоем свойстве гравитационных волн, зарегистрированных детектором LIGO, мы попробуем нащупать компромисс между этими крайностями. Сама новость, если, по примеру ерофеевского героя, мы очистим ее до голой фабулы, состоит вот в чем: при слиянии черных дыр вроде бы наблюдается небольшое эхо, доходящее до нас спустя 0,1, 0,2 и 0,3 секунды.

Остальное — розовые башни в дымных ризах, то есть контекст.

Широкий контекст

Сперва думали, что когда что-то падает в черную дыру, то оно остается там навсегда.

Потом Стивен Хокинг придумал вот что: если из вакуума случайно возникнет пара частиц — а с вакуумом такое случается — и одна из них провалится в черную дыру, а вторая избежит этой участи, то, во-первых, провалившаяся частица немного уменьшит массу дыры (потому что у этой частицы отрицательная энергия, но лучше вам об этом не думать). А во-вторых, улетевшую частицу (с положительной энергией) можно рассматривать как излучение черной дыры. То есть черная дыра все время излучает «хокингово излучение», пока не испарится окончательно. Черные дыры не вечны.

Потом физики начали спорить о том, куда же девается информация, провалившаяся в дыру. Если дыра вечна, то информация (например, файлы в вашем ноутбуке, который вы туда обронили, или мысли вашего мозга, если вы упали в дыру сами) может там и оставаться без всякого парадокса; но если дыра испарится, то куда денется информация? Квантовая механика запрещает ей исчезать. Был предложен следующий вариант: хокингово излучение должно быть «запутано» (в квантовом смысле) с ноутбуком, пересекающим горизонт событий, и нести в зашифрованном виде информацию, которая там была. Сам Хокинг до поры до времени полагал, что информация исчезает в дыре без следа, но потом согласился с доводами оппонентов; об этом повествует книжка Леонарда Сасскинда «Битва при черной дыре».

Если упрощать все до неприличия, проблема, с которой маялись физики, состоит вот в чем. Если черная дыра достаточно большая, то горизонт события от нее довольно далеко, и, нырнув под него, вы можете счастливо прожить там остаток дней. Согласно теории Эйнштейна, вы в принципе не способны заметить момент пересечения горизонта — по тем же причинам, по которым свободный полет на земной орбите никак не отличим от свободного парения в пустоте, а ощущения в падающем лифте — от невесомости. На этом, собственно, стоит теория Эйнштейна.

Но если кто-то будет наблюдать за вами со стороны, он непременно должен увидеть, как в момент пересечения горизонта информация, заключенная в вашем теле, расстается с ее материальным носителем и остается с внешней стороны от горизонта. Внутрь проваливается чистая масса (т. е. энергия), снаружи остаются ваша личность, мысли и чувства, перекодированные до неузнаваемости в кишащие вокруг горизонта частицы.

Поясним простыми словами: когда вам говорят, что «информация, заключенная в вашем теле, будет перекодирована в излучение» — это деликатный способ сообщить вам, что вас сожгут.

Таким образом, внешний наблюдатель увидит «огненную стену*», окружающую горизонт, которая сжигает все, что ее пересекает.

С этого момента физики полюбили обсуждать феномен «огненной стены» (Firewall), возникающей на стыке квантовой механики (требующей сохранения информации) и теории Эйнштейна (требующей, чтобы горизонт события был совершенно незаметен для того, кто под него провалился). Есть ли здесь парадокс? Пока нет. В теории относительности полно примеров, когда один наблюдатель видит одно, а другой — другое. В данном же случае наши наблюдатели вообще не способны сравнить свои показания, поскольку один из них уже в черной дыре, а второй — снаружи.

Квантовой механике было с этим чуть менее комфортно: в ней существует теорема о запрете копирования. Это значит, что одна и та же квантовая информация не может одновременно кодироваться двумя разными носителями. Но, убеждали себя физики, в данном случае парадокс не возникнет, потому что для парадокса и та, и другая информация должны быть доступны в акте измерения. А черная дыра в этом смысле как Лас-Вегас: то, что происходит в ней, в ней и остается, и, оставаясь снаружи, измерение произвести принципиально невозможно.

С этим физики и жили до 2012 года.

Контекст чуть поуже

В нашей заметке под провокационным заголовком «Вселенная — не голограмма» мы между делом упомянули о статье, вдохновившей Сасскинда и Малдасену на то, чтобы разобраться во взаимосвязях квантовой запутанности и черных дыр. Сейчас самое время еще раз вернуться к этой статье. Написали ее Дональд Маролф, Джозеф Полчински и два его аспиранта, Алмейри и Салли. По первым буквам имен авторов сама статья — и сформулированный в ней парадокс — получила прозвание AMPS.

До сих пор, рассказывая об «огненной стене», мы из жалости к читателям старались пореже упоминать о квантовой запутанности. Но в ней-то и кроется главная засада. Авторы показали, что при пересечении горизонта все же возникает парадокс, и простой фокус с «двумя разными точками зрения» — наблюдателя, падающего в дыру, и его друга снаружи — перестает работать. Причина, в частности, в том, что зона, в которой происходит «перекодирование» упавшего наблюдателя в излучение, имеет конечный размер. А значит, квантовая запутанность падающей в дыру информации и ее копии, остающейся в нашем мире, должна быть разорвана еще здесь, в нашем мире. И при этом — здесь, в этом мире! — должна выделиться такая энергия, что мало не покажется никому. Это если объяснять совсем грубо и без «запутанностей». Но, поскольку «грубо» всегда означает «неправильно», адресуем пытливого читателя к популярной статье в  Scentific American, где все рассказано чуть корректнее, хотя тоже не без путаницы.

Поясним еще раз: падающий наблюдатель, согласно AMPS, должен сгореть не с точки зрения внешнего наблюдателя, а со своей собственной точки зрения. «Огонь жжет», как выражался собакообразный герой Стругацких. А значит, движение в поле тяготения (конкретном поле вот такой специальной формы) для него очень-очень отличается от парения в пустоте, и теория Эйнштейна построена на лжи.

Альтернатива — исчезновение информации** или прекращение действия законов физики на некотором расстоянии от горизонта. Тоже не сахар.

Статья Полчинского и его друзей переполошила не одного Сасскинда: все физики почуяли неладное. В 2013 году была собрана конференция, где авторов пытались поймать на ошибке, да так и не поймали.

А буквально пару недель назад, 5 декабря 2016 года, в Маунтен-Вью (Калифорния) состоялось вручение «Премий за прорыв» (Breakthrough Prizes), учрежденных Юрием Мильнером. Премию по физике и миллион долларов получил Джозеф Полчински, причем именно за ту самую статью. Потому что в таком явном виде нащупать парадокс, разводящий теорию Эйнштейна и квантовую механику по разные стороны баррикад, — это совсем не маленький вклад в физику. Парадоксы — ее хлеб.

Фабула

В ХХ веке физики-теоретики обожали ставить мысленные эксперименты с черными дырами, потому что это, видимо, один из самых простых и наглядных объектов, порождаемых теорией Эйнштейна. Эксперименты эти были «мысленными» потому, что экспериментировать с реальной черной дырой было недоступным удовольствием: их, собственно, никогда толком и не наблюдали.

Пока теоретики спорили о парадоксах, обычные астрономы и астрофизики поднакопили данных о Вселенной, из которых, в частности, следовало, что черные дыры не просто существуют, но представляют собой очень распространенный тип объектов, присутствующий, к примеру, в центрах разных галактик. А чуть больше года назад впервые были зафиксированы гравитационные волны, испущенные при слиянии двух черных дыр. Это означает, что теоретики навсегда утратили право придумывать безответственные мысленные эксперименты с дырами: предсказания таких экспериментов теперь можно проверить реальными наблюдениями.

Когда всполошившиеся теоретики обсуждали на конференции 2013 года статью Полчинского и соавторов, одним из участников дебатов был Стив Гиддингс из Санта-Барбары. Рассуждая о том, как примирить «огненную стену» с теорией Эйнштейна (отметим, что сами эти рассуждения не слишком убедили общественность), он между делом заметил, что к вопросу можно подойти экспериментально. Если две черные дыры, окруженные «огненными стенами», столкнутся, то сами эти стены произведут особый рисунок ряби пространства-времени, которую можно зарегистрировать в виде гравитационных волн.

Прошел 2013 год, пришел 2015 год. На детекторе LIGO зарегистрировали три всплеска гравитационных волн, пришедших с дальних окраин вселенной от трех событий столкновения черных дыр. А потом настал год 2016-й, и экспериментаторы вгляделись в данные своих детекторов повнимательнее. И увидели после каждого из событий три «эха» — через 0,1, 0,2 и 0,3 секунды. Ровно такие, какие должны быть, если дыры окружены «файерволами». 1 декабря статья опубликована online, и теперь физикам придется с ней считаться.

При переводе со звонкого языка теоретиков на косноязычное бормотание экспериментаторов неизбежна потеря экспрессии. Там, где теоретик скажет: «Или так, или мир не имеет смысла!» — экспериментатор скромно произнесет: «Это так, но на уровне меньше трех сигма». Эти сигмы отражают тот печальный факт, что любой эффект может быть случайным совпадением и обречен исчезнуть при дальнейшем накоплении данных. Именно «меньше трех сигм» и отделяют эффект огненных стен, якобы наблюдаемый в эксперименте LIGO, от статистического шума (а это, по общепринятым критериям, маловато). К счастью, вселенная пока жива и черные дыры продолжают сталкиваться. Если характерное эхо будет замечено и при других столкновениях, значит, вот она, эта самая стена.

А потом надо будет только всмотреться в нее повнимательнее и разобрать, как же там, возле горизонта события, все в точности устроено. Почему, например, там дает сбой добрый эйнштейновский постулат «пока ты куда-то падаешь, ты ничего не замечаешь». И дает ли он сбой, или просто физики неправильно все подсчитали. В конце концов, те самые гравитационные волны, которые донесли сюда эту информацию, — прямое следствие теории Эйнштейна. Если она неверна, то неверен и расчет, дающий нам эти самые 0,1, 0,2 и 0,3 секунды между отголосками эха. И, видимо, вся остальная физика.

И Стивен Хокинг, посвятивший этой физике свою жизнь, с равным успехом мог бы заняться спортивным покером.

Но что-то подсказывает, что физика устоит, а из всей этой затянувшейся на сорок лет истории непременно получится что-то интересное. Физики явно этого ждут, сгорая от любопытства и прикладывая нешуточные усилия. Цель этой заметки, в частности, в том, чтобы нашему уважаемому читателю стало хоть на одну сотую так же интересно жить на свете, как им.

Примечания

* Английское firewall имеет два значения, которые по-русски совершенно противоположны друг другу. Во-первых, это то, что у нас называется «брандмауэр» — сплошная стена, призванная остановить распространение пожара в жилом квартале. В переносном смысле так еще называют некую структуру компьютерной сети, обеспечивающую ее безопасность. Но тот firewall, о котором талдычат физики, занимающиеся черными дырами, — это вовсе не безопасная пожароизоляция. Это самая настоящая «стена огня», уничтожающая все, что к ней по неосторожности приблизится. Так мы ее здесь и переводим.

** Почему исчезновение информации в черной дыре — это такой ужас-ужас? Разумеется, никто не проверял, действуют ли в черных дырах законы физики, и сама физика запрещает даже думать о такой проверке. В идее о том, что закон физики где-то не действует, нет ничего, что само по себе противоречило бы этому закону («Правила метрополитена», например, не действуют в автобусе, но никто их на этом основании не отменяет в самом метро). Однако все ужасно портит AdS-CFT соответствие, открытое Хуаном Малдасеной в 1997 году. Согласно этому открытию, законы трехмерного мира с гравитацией, черными дырами и прочей всячиной можно свести к формулам квантовой механики на границе этого трехмерного мира. А формулы квантовой механики информацию не уничтожают. Если информация исчезает в черной дыре, то она исчезнет и на границе области, содержащей черную дыру, а значит, квантовая механика просто-напросто неверна — с дырами ли, или без всяких дыр. Другими словами, если квантовая механика верна, то она неверна. Вот это и есть парадокс, смириться с которым категорически невозможно.