Соответственно, Инициатива Чёрной Дыры (BHI) была основана через 100 лет после того, как Карл Шварцшильд решил уравнение Эйнштейна для общей теории относительности - решение, которое описало чёрную дыру за десятилетия до первого астрономического доказательства их существования. Будучи экзотическими структурами пространства-времени, черные дыры продолжают очаровывать астрономов, физиков, математиков, философов и широкую общественность, после столетнего исследования их таинственной природы.
Миссия BHI является междисциплинарной, и с этой целью мы спонсируем множество мероприятий, которые создают среду для поддержки взаимодействия между исследователями различных дисциплин. Философы общаются с математиками, физиками и астрономами, теоретики общаются с наблюдателями, а ряд запланированных мероприятий создает место для регулярного общения людей.
В качестве примера для проблемы, которая нас волнует, рассмотрим особенности в центрах черных дыр, которые отмечают нарушение теории гравитации Эйнштейна. Как бы выглядела особенность в контексте квантовой механики? Скорее всего, это будет выглядеть как экстремальная концентрация огромной массы (более чем несколько солнечных масс для астрофизических черных дыр) в крошечном объеме. Размер резервуара, который истощает всю материю, которая упала в астрофизическую черную дыру, неизвестен и составляет одну из нерешенных проблем, над которыми работают ученые BHI.
Мы рады представить сборник сочинений, которые были тщательно отобраны нашим старшим преподавателем из многих заявок на первый конкурс сочинений BHI. Эссе о победе будет опубликовано здесь, на Наутилусе, в течение следующих пяти недель, начиная с пятого места и заканчивая первым. Мы надеемся, что вы будете наслаждаться ими так же, как и мы.
—Абрахам (Ави) Лоеб
Фрэнк Б. Бэйрд, младший профессор наук, Гарвардский университет
Председатель Гарвардского астрономического факультета
Директор-основатель, Инициатива Чёрной Дыры (BHI)
Путь вверх и вниз - это одно и то же », - говорит Мудрец.
У парадокса есть способ мучить мысль. Это освещает несоответствия и несоответствия концепций, с которыми мы имеем смысл из нашего опыта. Это ставит под сомнение наши рамки понимания так же, как и само понимание. Любая башня мысли может быть построена в попытке увидеть, как ее противоречия зарождаются, и, с небольшим возмущением, рушится. Тем не менее, он также может стать инструментом прозрения, если только мы обладаем им достаточно умело. Философ Гераклит понимал это, хотя его склонность к парадоксу принесла ему эпитет «Неясное» от его сверстников. Сегодня физики также должны принять парадокс, чтобы глубже понять природу черных дыр.
Для Гераклита трудности мышления были присущи тому, как мы обрабатывали мир. Наш внешний опыт природы не обрабатывается напрямую, а фильтруется через сеть концепций, которые развиваются и со временем становятся связанными друг с другом. Если мы не будем осторожны, этот беспорядок понятий и категорий, которые мы используем, чтобы понять природу, будет перепутан с самой природой. Мы разрабатываем модели и теории, которые действуют как линзы, чтобы рассказать нам, как выглядит мир. Иногда, однако, существует напряжение между нашими различными моделями, нашими различными концепциями, что является результатом того, что мир не вписывается в сеть, которую мы создали. Так же и с парадоксом. Парадокс расстраивает нас, потому что его внешний вид - как мы понимаем, что является парадоксальным - зависит от того, какую линзу мы используем. Размышляя, мы вводим несущественные различия, и парадокс прорезает их.
В кругу начало и конец общие, - говорит Гераклит.
Ситуация не менее верна в физике, и нигде в физике не более очевидна, чем при изучении черных дыр. Черные дыры занимают привилегированное место в современной физике, поскольку именно их ядро, особенность черной дыры, мы ожидаем, что две из наших самых успешных физических моделей (эти затуманенные, темные линзы) встретятся. Общая теория относительности описывает структуру, в которой «Пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как изгибаться », как классно и лаконично объяснил физик Джон Уилер. Уравнения теории имеют геометрический характер, заимствуя из областей математики, которые изучают различные формы абстрактных математических объектов. Он объясняет феномен гравитации с точки зрения формы и кривизны и рассматривает пространство-время как объект сам по себе, который изгибается и расширяется в ответ на движение масс внутри него. Пространство и время больше не являются этапом, на котором происходит действие, а скорее являются игроками на этом этапе сами по себе.
Квантовая теория, вторая из этих структур, является совершенно другим зверем. Он описывает поведение частиц и света в самых маленьких масштабах, часто в запутанных терминах. Но большая часть этой путаницы возникает из нашей собственной запутанной сети мысли, разработанной и обученной, чтобы понять классический мир повседневного опыта. В любой квантовой теории объект, такой как частица, имеет данное квантовое состояние, которое эволюционирует во времени заданным образом через последовательность последовательных состояний. Но свойства этих состояний странные. Запутывание, возможно, наиболее фундаментально квантовое из всех свойств, порождает странные корреляции между квантовыми объектами здесь и квантовыми объектами там, независимо от того, насколько далеко друг от друга «здесь» и «там» находятся (это свойство настолько странное, что Эйнштейн считал его « жуткое действие на расстоянии »). Пространство-время, если исследовать его достаточно близко, кишит виртуальными частицами, которые появляются и исчезают, превращая вакуум в квантовую пену в потоке. И все же, несмотря на квантовую странность мира, теория адекватно предсказывает поведение частиц в поразительной степени.
«Именно в переменах вещи обретают покой», - говорит Гераклит. Черные дыры занимают место на границе каждой теории и неудобно между ними. Здесь наши теории рушатся. Первое указание на то, что что-то не так, исходит из уравнений общей теории относительности. Уравнения, описывающие кривизну пространства-времени, совершают кардинальный грех математики - деление на ноль - выплевывая бессмысленные бесконечности в процессе. Как будто ткань пространства-времени на самом деле пробита огромным напряжением, которому она подвергается в присутствии сингулярности, чего-то, что наши уравнения плохо подготовлены для описания. В других классических теориях с подобными нарушениями на помощь пришла квантовая теория. Большая часть работы в физике в первой половине 20-го века была сделана в «квантовании» классических теорий: удаление этих бессмысленных описаний путем описания объектов в квантовых терминах. Но когда тот же процесс делается с общей теорией относительности, пытаясь записать теорию квантовой гравитации, концептуальные вопросы возникают задолго до математических. Как можно описать пространство-время как имеющее квантовое состояние, эволюционирующее во времени, когда это время?
В таких мрачных пейзажах между теориями парадокс - это путь вперед. Гениальность Гераклита - его способность использовать парадокс в качестве инструмента для описания истин, которые язык не может описать. В физике информационный парадокс чёрных дыр является руководством из болота двусмысленности чёрных дыр. Этот парадокс отражает фундаментальный конфликт между квантовой теорией и общей теорией относительности. В нем говорится, что если черные дыры ведут себя так, как того требует общая теория относительности, то объекты, падающие в черную дыру, не могут вести себя так, как этого требует квантовая теория. И наоборот, если квантовые объекты, падающие в черную дыру, ведут себя, как и ожидалось, то геометрическое описание черных дыр должно быть ошибочным. Какой бы теории мы ни отдавали предпочтение, другую следует отбросить. Парадокс возникает из двух фактов. Одна из них заключается в том, что квантовые системы развиваются «унитарным» образом, то есть, если задавать квантовое состояние системы в одно время, квантовое состояние в другое время может быть однозначно определено. Информация о состоянии, как говорят, сохранена. Второе - это то, что черные дыры испаряются, и согласно общей теории относительности они берут с собой информацию о том, что упало. Для наблюдателя в пространстве-времени после того, как черная дыра испарилась, имеющаяся информация об исходной квантовой системе является неполной. Они больше не могут определять начальное состояние, и кажется, что квантовая информация была уничтожена. В борьбе с этим парадоксом исследователи начали находить свою опору. В поисках решения физики заметили связи между квантовой теорией и геометрией, свойственной гравитации, которые предлагают смягчить парадокс, предлагая двойственность между квантовой механикой и геометрией. Теория, которая выглядит как квантовая теория через одну линзу, через другую может выглядеть как теория гравитации. Это голографический принцип (который, как и предполагалось, не предполагает, что вселенная на самом деле является голограммой разнообразия, найденного в научной фантастике). Словарь между этими двумя точками зрения начал развиваться, и исследователи смогли понять некоторые аспекты одной теории с точки зрения другой. Одна конечная точка этой линии исследования в гипотезе, известной как ER = EPR (обозначая мосты Эйнштейна-Розена = пары Эйнштейна-Подольского-Розена, пары запутанных объектов). Эта идея, предложенная Хуаном Малдасеной и Леонардом Сасскиндом, предполагает, что поведение двух запутанных квантовых систем можно описать двумя раздельными системами, соединенными микро-червоточиной. То, что в одной линзе выглядит как квантовая странность, находится в другой странной геометрии.
В борьбе с этим парадоксом исследователи начали находить свою опору. В поисках решения физики заметили связи между квантовой теорией и геометрией, свойственной гравитации, которые предлагают смягчить парадокс, предлагая двойственность между квантовой механикой и геометрией. Теория, которая выглядит как квантовая теория через одну линзу, через другую может выглядеть как теория гравитации. Это голографический принцип (который, как и предполагалось, не предполагает, что вселенная на самом деле является голограммой разнообразия, найденного в научной фантастике). Словарь между этими двумя точками зрения начал развиваться, и исследователи смогли понять некоторые аспекты одной теории с точки зрения другой. Одна конечная точка этой линии исследования в гипотезе, известной как ER = EPR (обозначая мосты Эйнштейна-Розена = пары Эйнштейна-Подольского-Розена, пары запутанных объектов). Эта идея, предложенная Хуаном Малдасеной и Леонардом Сасскиндом, предполагает, что поведение двух запутанных квантовых систем можно описать двумя раздельными системами, соединенными микро-червоточиной. То, что в одной линзе выглядит как квантовая странность, находится в другой странной геометрии. Подлинное гераклитовое объятие парадокса пошло бы дальше и признало бы наши теоретические различия между типами теорий несущественными. То, что мы описываем некоторые объекты как «квантовые», а некоторые как «геометрические», является следствием той неприятной паутины концепций, которая обрабатывает наш опыт. Для Гераклита сортировка свойств, в результате чего некоторые из них были названы квантовыми, а некоторые геометрическими, является искусственной. Наша уверенность в этих различиях - это то, что обрекает нас на то, чтобы видеть природу «сквозь мрачное стекло». Но, вооружившись противоречиями парадокса и постоянно раздвигая и исследуя пределы наших понятий, можно достичь момента ясности. Гераклит сказал бы, что даже в сингулярности нет конфликта между гравитацией и квантовой механикой, потому что гравитация и квантовая механика - это одно и то же. Запутанность - это геометрия. Путь вверх - это путь вниз. Безусловно, полнота этого момента ясности еще далеко. Гипотеза ER = EPR остается гипотезой и, вероятно, будет продолжаться в ближайшем будущем. И другие пути исследования черной дыры представляют разрешение парадоксу, который избегает единства, предложенного ER = EPR. Что ясно, так это то, что физики должны воспринимать, зачастую неудобно, роль парадокса в понимании природы. Такой комфорт с противоречивым редко бывает легким, и окончательная ясность отнюдь не гарантирована. Возможно, это хорошо, что так и должно быть.
