Теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику примирить нельзя. Они противоречат друг другу. Если верна первая, неверна вторая. И наоборот. Такова на сегодня ситуация в теоретической физике, и никто не знает, как из нее выбираться.
В этот цугцванг загнал физиков в апреле прошлого года известный специалист по теории струн Джозеф Полчински из Института теоретической физики Кавли в Санта-Барбаре. Он взорвал тогда настоящую бомбу, вместе со своими двумя студентами и еще одним струнным теоретиком, Дональдом Мэролфом из Калифорнийского университета, опубликовав на портале Arxiv.org статью, в которой доказал, что астронавт, падающий в черную дыру, закончит свое существование совсем не так, как от него ожидали прежде.
Теоретики любят посылать астронавтов в недра черных дыр – не столько из садизма, сколько из желания увидеть происходящее «глазами наблюдателя». И если на ближних подступах к той центральной точке черной дыры, куда заглатывается вся захваченная ею масса и где, возможно, перестают работать известные нам законы физики, об этих «наблюдениях» пока почти ничего не известно, то что касается начала падения, с прохождения через горизонт событий, они были ясны.
Черная дыра – это, собственно, пустота, окружающая ту самую центральную точку и ограниченная условной поверхностью под названием «горизонт событий», сквозь которую ничто не может вырваться наружу. До сих пор считалось, что это воображаемая поверхность и что астронавт-самоубийца не заметит момента ее пересечения. Он будет себе комфортно падать, ощущая невесомость, пока приливные силы не разорвут его сначала в клочки, а потом на атомы и элементарные частицы.
Полчински с коллегами заявил, что ничего обычного, так же, как и ничего необычного по преодолении горизонта событий падающий наблюдатель не увидит, поскольку, достигнув его, непременно сгорит в нестерпимом огненном занавесе.
Эффект имел квантово-механическую природу, и все бы ничего, если бы не одна беда – он противоречил принципу эквивалентности, сформулированному Эйнштейном и заложенному им в основы Общей теории относительности. Согласно этому принципу, наблюдатель не почувствует разницы между падением под действием гравитационного поля и полетом в пустом пространстве. Без этого принципа теория относительности не работает.
Чтобы ни у кого не осталось сомнений в серьезности происходящего, команда Полчински вскоре представила коллегам и альтернативный вариант падения в черную дыру, при которой огненной преграды не возникает. Принцип эквивалентности оказывался спасён, но очень дорогой ценой – отказом от квантовой механики.
Этот кризис еще далек от разрешения. В ответ на вызов, брошенный командой Полчински, физики ответили почти полусотней статей, но никто не смог найти ошибки в его выкладках. Недавно в ЦЕРНе была созвана конференция, специально посвященная этому вопросу – и опять ничего!
Причем начало этому кризису было заложено отнюдь не в прошлом году, а существенно раньше – в 1975-м году, в тот момент, когда Стивен Хокинг объявил об излучении черных дыр. Этот квантовый эффект, парадоксальный сам по себе, поскольку классическая черная дыра не может излучать по определению, подрывал одно из важнейших положений квантовой механики, утверждающей, что при всех ее неопределенностях информация в мире не теряется. Хокинг же показал, что частицы, вырывающиеся из черной дыры, не несут никакой информации об ее прошлом.
Множественные попытки найти ошибку в рассуждениях Хокинга ни к чему не привели, но проблема оставалась, и в 1997-м году Хокинг публично заключил пари с директором Института квантовой информации Джоном Прескиллом со ставкой на какую угодно энциклопедию – Прескилл утверждал, что излучение черной дыры несет информацию, просто ее невозможно оттуда извлечь, а Хокинг продолжал настаивать на ее полной потере.
По иронии судьбы, в том же году Хуан Малдасена, физик из Гарвардского университета в Кембридже, опубликовал теорию, которая однозначно подтверждала правоту Прескилла. Он доказал, что в двухмерной черной дыре информация не теряется, а потом распространил свое доказательство и на трехмерную черную дыру. Теория Малдасены была очень убедительной, и в ней тоже никто не нашел ни одной ошибки, поэтому в 2004-м году, под ее влиянием, а также под влиянием собственных новых теорий о природе черных дыр, Хокинг признал свой проигрыш и послал Прескиллу энциклопедию по бейсболу. Кризис закончился, «информационный парадокс черный дыры» посчитали разрешенным, хотя ошибку в прежних выкладках Хокинга ни он сам, ни его оппоненты так и не обнаружили.
Полчински, который всегда преклонялся перед работой Хокинга об излучении черных дыр, посчитал это признание преждевременным. Вместе с коллегами он решил разобраться с еще одним парадоксом, вытекающим из открытия Хокинга. Дело в том, что частица, вылетающая из черной дыры, должна родиться вместе с парной частицей, летящей к ее центру. Их квантовые состояния «запутаны» и влияют друг на друга независимо от расстояния между ними. Продолжив мысль Хокинга, теоретики выяснили, что на самом деле вылетающая частица оказывается связанной со всеми остальными частицами, вылетевшими из черной дыры до нее. Получается своего рода квантовая «шведская семья», тогда как квантовая механика строго требует «квантовой моногамии» - запутанными могут оказаться только две частицы.
Чтобы разрешить этот парадокс и вдобавок оставить вылетающим частицам возможность нести информацию, по словам Полчински, оставался единственный выход – обрубить связь между частицами-близнецами, родившимися на горизонте событий и улетевшими в разные стороны от него. «Разрыв этой связи, - говорит он – требует высвобождения большого количества энергии. Горизонт событий в этом случае превращается в огненное кольцо, где без остатка сгорает все, что бы на него ни упало».
Эта-то огненная преграда и разделила собой квантовую механику и общую теорию относительности и стала приговором одной из них.
Изо всех попыток найти выход из положения некоторого внимания заслуживает, пожалуй, только одна. Это гипотеза, высказанная на упоминавшейся конференции в ЦЕРНе Стивеном Гиддингсом из Калифорнийского университета. По его расчетам, связь между двумя «запутанными» частицами на горизонте событий обрывается не сразу, а лишь на некотором, очень маленьком промежутке между ними. Энергии, соответственно, выделяется меньше и огненного занавеса не возникает. Принцип эквивалентности при этом естественно, сохраняется, но с квантовой механикой чуть сложнее – требуется пересмотр некоторых ее положений. Плюс этой гипотезы в том, что ее можно проверить, исследуя пространственно-временные возмущения, возникающие при слиянии двух черных дыр. Минус – в том, что это очень спорная гипотеза, которую Полчински, внимательно изучивший все попытки найти компромисс, считает несостоятельной.
Остается еще одна возможность, еще более спорная – Хокинг был прав, информация в черной дыре все-таки теряется, и в таком случае он должен получить от Прескилла две энциклопедии по бейсболу. Только об этой возможности теоретики пытаются даже не вспоминать – слишком многое придется пересматривать в этом случае.
