Стивен Хокинг так и не нашел ответа на свою самую интересную научную загадку
Несколько дней назад, 14 марта, этот мир покинул один из самых выдающихся физиков современности, Стивен Хокинг. Несмотря на свою тяжелую болезнь, Хокинг успел написать множество научных книг, многие из которых стали настоящими бестселлерами, всю свою жизнь сохранял оптимизм, являлся активным популяризатором науки и даже стал своего рода поп-иконой, благодаря своему участию в различных развлекательных шоу. К сожалению, на момент смерти он так и не нашел ответа на один из самых интересных вопросов, решением которого он очень активно занимался последние годы: возможна ли полная потеря информации для Вселенной?
На заре своей научной карьеры, в 1974 году, 44 года назад, Хокинг опубликовал, пожалуй, одну из своих самых знаменитых научных статей: «Black Hole Explosions?» (Взрывы черных дыр?). В ней молодой ученый решил отойти от привычного на тот момент понимания этих загадочных объектов и тем самым фактически сделал первый важный шаг в решении этого вопроса.
«В классическом понимании черные дыры рассматривались «идеально холодными» объектами, поглощающими все вокруг и ничего не излучающими. Именно такое представление о них было у науки начала 70-х годов», — комментирует Роберт Макнис, физик Чикагского университета Лойолы.
Такие черные дыры не излучают никакой энергии. Из них не может вырваться никакая материя. Наука видела в них объекты, которые просто существуют. Холодные, безмолвные, вечные. Но работа Хокинга их оживила, сделала их смертными.
«В середине 70-х годов, когда Стивен изучал эффекты квантовой механики, он обнаружил, что черные дыры в принципе должны создавать излучение, как если бы они были тепловыми объектами, обладающими температурой», — продолжает Макнис.
«Но в таком случае, если они могли бы излучать энергию, то и их масса должна была бы сокращаться. А поскольку будет сокращаться их масса, то они и сами должны уменьшаться в размерах, что в свою очередь должно приводить к повышению температуры и еще более интенсивному излучению».
Конечным результатом этих процессов должно стать либо полное исчезновение (испарение) черной дыры, либо сокращение ее размеров до крошечного зернышка. Однако в отсутствии подходящего инструмента, который позволил бы объединить идеи общей теории относительности и квантовой механики внутри теории «квантовой гравитации» для построения так называемой «теории всего», описывающей все известные фундаментальные взаимодействия, понимание финальной стадии этого «испарения» черной дыры остается полной загадкой для науки и по сей день.
«Проблема в том, что, согласно расчетам Хокинга, это излучение должно быть идеально тепловым. В нем не должно содержаться информации о состоянии материи, из которой эта черная дыра сформировалась, а это в свою очередь противоречит одному из фундаментальных законов квантовой механики», — говорит Макнис.
Одним из требований квантовой физики является наличие возможности вычленить каждое состояние частицы (прошлое, настоящее и будущее), а также определить связь этих состояний через серию цепных, причинных и вероятностных событий. Но если черная дыра способна высвобождать недифференцированный суп из частиц, каждая из которых несет свою информацию (свою историю), безвозвратно стертую (после погружения), то, следовательно, эта ситуация будет противоречить фундаментальным постулатам квантовой механики.
«Физики называют это информационным парадоксом черных дыр. Разрешение этого противоречия — необходимый шаг на пути построения квантовой гравитации», — говорит Максис.
Многие биографические публикации утверждают, что Хокинг состоялся как очень опытный физик уже к 1974 году и после публикации своей самой популярной книги «Краткая история времени» в 1988 году его наиболее важные научные труды остались в прошлом. Однако ученый все это время продолжал публиковать весьма дерзкие и спорные научные работы, пытаясь побороть парадокс, с которым он столкнулся несколько десятилетий ранее.
Пожалуй, наиболее драматической, если можно так выразиться, работой в поздней карьере Хокинга стала научная статья, в которой он рассуждал о том, что черных дыр в их «классическом» понимании вообще не существует.
В работе «Сохранение информации и предсказание погоды для черных дыр», опубликованной в 2014 году, он предположил, что «горизонт событий» — точка, преодолев которую объект (даже свет) не сможет избежать затягивания в черную дыру, – на самом деле не существует. По мнению Хокинга, существует «кажущийся горизонт» — поверхность, на которой излучение, уходящее от центра черной дыры, лишь задерживается. В отличие от классического горизонта событий, «кажущийся» может в какой-то момент исчезнуть, и то, что было в черной дыре, может выйти наружу.
«Отсутствие горизонта событий означает, что не существует черных дыр как объектов, откуда излучение не может уйти никогда», — писал тогда Хокинг.
Свою идею он попытался изложить через более ранний концепт так называемых «файрволов» черных дыр, предложенный в 2012 году американским физиком Джозефом Полчински. Согласно этой идее, вместо горизонта событий черные дыры обладают некой «стеной», границей, состоящей из частиц высоких энергий и потоков излучения, блокирующих все, что за нее попадает. Эта граница как тюрьма, только временная. Ученый не описал причин, по которым кажущийся горизонт может исчезнуть, однако физик Дон Пэйдж из канадского университета Альберты тогда предположил, что это может произойти, когда черная дыра за счет излучения Хокинга станет настолько малой, что гравитационные и квантовые эффекты станут неразличимы.
Но это не было последним словом Хокинга в решении вопроса. В 2016 году в соавторстве с физиком Кембриджского университета Малькольмом Перри, а также физиком Гарвардского университета Эндрю Стромингером он опубликовал работу под названием «Мягкие волосы черных дыр» (Soft Hair on Black Holes).
В этой работе команда ученых писала о том, что черные дыры окружены так называемыми «мягкими волосами» — фотонами с почти нулевой энергией. Добавив подобные частицы в уравнения, описывающие поведение черных дыр, Хокинг и его коллеги обнаружили, что эти фотоны будут выступать переносчиками информации, на которых будут записаны данные о некоторых свойствах частиц, «съеденных» черной дырой. Извлечь информацию из них, даже если удастся найти способ взаимодействия с этими фотонами, будет крайне сложно – авторы статьи сравнили это с задачей выяснения того, что сгорело в костре, смотря на дым и пламя.
Следствием существования этих фотонов будет то, что вместо четкой линии горизонта событий у черной дыры будет своеобразный набор из «волос» из «мягких фотонов», на которых, как на голографической пластине, будет записана часть информации о поглощенных частицах. Этот своеобразный «экран» будет обновлять свое содержимое каждый раз, когда черная дыра будет испускать очередную порцию излучения Хокинга, что еще больше затруднит его изучение. Тем не менее, Хокинг и его коллеги сделали вывод, что подобная идея позволила бы разрешить информационный парадокс, не прибегая к фантастическим и маловероятным допущениям и отклонениям от современных физических теорий.
«Полное описание голографической пластины и разрешение информационного парадокса остается открытым вопросом, для решения которого мы предоставили новые и более конкретные инструменты», — писали в выводах исследователи.
Даже под конец жизни Хокинг оставался очень работоспособным и трудолюбивым ученым, предлагающим идеи, которые как принимались, так и отклонялись его коллегами.
«Мне кажется, что работа 2014 года не снискала большой популярности. В то же время его работа, написанная в 2016 году в соавторстве с Перри и Стромингером, – это направление, в котором люди по-прежнему активно работают», — говорит Макнис.
«Информационный парадокс черных дыр является одной из определяющих проблем, нуждающихся в решении для тех, кто работает над теорией квантовой гравитации. Он по-прежнему не решен, но остается, по моему мнению, самым интересным вопросом, поднятым Хокингом», — добавил Макнис.