На лужайке Эйнштейна. Что такое НИЧТО, и где начинается ВСЕ - Аманда Гефтер

Во время таких визитов мне запрещалось трогать некоторые из его вещей. Одной из них был бюст Эйнштейна. Когда я позже писала статью о Фотини Маркопулу, я показала ее деду. Так как в статье рассказывалось о петлевой квантовой гравитации и попытке с ее помощью примирить общую теорию относительности с квантовой механикой, научный редактор журнала дал ей заголовок «Жертвуя Эйнштейном ради петель». Дед, взглянув на заголовок, объявил его оскорблением Эйнштейна и бросил статью на кофейный столик, так и не прочитав.

Эйнштейн стоял у окна на солидном пьедестале и озирал бронзовым взглядом гостиную. Это был не единственный бюст. У противоположной стены, над телевизором, висел барельеф Гомера. Будучи ребенком, я часто сидела на диване между ними, глядя то на одного, то на другого, мои глаза метались туда и обратно, будто я смотрела теннисный матч между двумя мировыми колоссами: слова и идеи, поэзия и наука.

Как только все встало на свои места, земля разверзлась подо мной.

Это началось тогда, когда я просматривала физические статьи на arXiv.org и заметила новый заголовок: «Черные дыры: дополнительность или файерволы?»

Файерволы? Я была заинтригована. Авторами статьи значились Джо Полчински с Ахмедом Альмхеири, Дональдом Маролфом и Джеймсом Салли. Я взяла чашку кофе и села читать.

В статье Скруда снова отправили погружаться в черную дыру, а затем сравнивали его взгляд на реальность со взглядом Сэйфа. Но на этот раз, вместо проявления беспокойства по поводу незаконного клонирования квантовых битов, они выражали озабоченность феноменом квантового запутывания.

Прежде чем начать свой мысленный эксперимент, Полчински и его соавторы ждали до тех пор, пока черная дыра не испарится более чем на половину от ее первоначального размера. Я помнила, что это было важно, потому что до этого момента Сэйф не сможет извлечь ни одного бита информации из излучения Хокинга. Затем они отправили Скруда в сторону горизонта, позволив Сэйфу наблюдать за происходящим издали.

Теперь рассмотрим, писали они, бит информации – назовем его В – вблизи внешней границы горизонта событий черной дыры. В системе отсчета Скруда B – часть вакуума. Скруд, в конце концов, находится в инерциальной системе отсчета, лишенной границ, что допускает присутствие всех положительных и отрицательных частотных мод вакуума – то есть все пары виртуальных частиц и античастиц, родившиеся в результате нулевых колебаний вакуума, полностью компенсируют друг друга.

Гарантией их компенсации является запутывание, форма квантовой суперпозиции, в которой две частицы – такие, как виртуальные частица и античастица, – описываются одной волновой функцией. При этом волновая функция всей системы говорит нам намного больше, чем могла бы просто сумма ее частей. Дело в том, что две частицы образуют одно квантовое состояние, поэтому их свойства коррелируют – неважно, как далеко друг от друга они находятся. Если во время измерения у одной из них были установлены положительные частоты, другая гарантированно будет иметь отрицательные. Эта корреляция обеспечивает полную их компенсацию, и вакуум остается вакуумом. Бит B, в соответствии с тем, что видит Скруд, запутан с его противоположностью, битом А, находящимся в глубинах черной дыры.

Сэйф, однако, не может с этим согласиться. По его мнению, B – это не виртуальное возмущение вакуума, а реальная частица, проявляющая себя как излучение Хокинга. Еще будучи в Лондоне, я знала, что горизонт реструктурирует вакуум, отделяет виртуальные частицы от их партнеров-античастиц, разрывает их запутанность, предотвращает их взаимное уничтожение, способствует переходу B от виртуального состояния к реальному, превращая то, что некогда было пустым вакуумом, в бурлящий рой частиц.

Сэйф настаивает, что B запутан не с его партнером за горизонтом, а с другой частицей в излучении Хокинга, назовем ее R, появившейся ранее в процессе испарения. Это требуется, чтобы предотвратить потерю информации. Как утверждал Сасскинд, – и Хокинг в конце концов с ним согласился, – Сэйф никогда не будет видеть, что информация исчезает. Вместо этого он видит, как информация поджаривается на горизонте событий, так и не погрузившись в черную дыру, запекается до неузнаваемости и затем излучается обратно. Поскольку здесь готовится болтунья, то информация больше не связана с какой-то одной частицей излучения Хокинга, а запутывается в корреляциях всего излучения.

Таким образом, авторы статьи пришли к парадоксу. Скруд говорит, что В запутан с A, а Сэйф утверждает, что B запутан с R. А квантовая механика говорит, что один из них должен ошибаться. Бит не может находиться в запутанном состоянии с более чем одним другим битом. Запутанность является моногамной.

Отпивая кофе, я не видела причин для беспокойства. Именно для разрешения подобных противоречий Сасскинд и разработал свой принцип дополнительности. В конце концов, дополнительность позволяет описывать только то, что находится по одну сторону горизонта событий, но не перед ним и за ним одновременно. Просто следует ограничить описание B одной системой отсчета, Сэйфа или Скруда, и запутанность всегда будет моногамной, думала я. Вот и все.

Но по мере того, как я читала, проблема начинала проступать. В отличие от парадокса клонирования, в этом случае противоречие не исчезало, даже если ограничиться системой отсчета одного наблюдателя, потому что измерения В производятся над горизонтом событий для обоих наблюдателей. Они по-прежнему находятся в причинно-следственной связи; они могут общаться. Скруд может провести измерение B, обнаружить его запутанность с А, затем повернуться и сообщить это Сэйфу, который настаивает на том, что B запутано с R. Противоречие возникает в области, где световые конусы обоих наблюдателей пересекаются. Принцип дополнительности предотвращает квантовое клонирование тем, что в момент времени, когда возникает дублирование информации, Сэйф и Скруд больше не могут сверять результаты своих измерений. В данном же случае они могут это делать. Так что, делали вывод авторы, одной дополнительности недостаточно.

Один из двоих наблюдателей, казалось, должен ошибаться. Если ошибается Сэйф и В запутан с А, а не с R, то корреляции, распределенные по всему облаку радиации Хокинга, были разрушены и информация теряется. Но кто бы хотел допустить, чтобы информация потерялась после того, как физики потратили десятилетия, чтобы найти ее? Хокинг снова изменил бы свое мнение. Слоны начали бы исчезать из Вселенной. Блестящая находка AdS/CFT-соответствия – что черные дыры дуальны кварк-глюонной плазме – была бы признана ошибочной, а уравнение Шрёдингера – неверным. Квантовая механика утратила бы смысл. Почти весь прогресс в фундаментальной физике за последние тридцать лет отправился бы коту под хвост.

Нет, потеря информации не вариант, – что означало, что неправ был Скруд. B был запутан с R, а не с А.

К сожалению, это решение было не намного лучше. Нарушение запутанности B и A эквивалентно добавлению горизонта – в конце концов, именно этим горизонт и характерен. Вакуумные возмущения больше не компенсируют сами себя. Вместо пустоты появляются частицы. Горячие частицы планковской температуры. Файервол.