Обзор немецких медиа
🗞(+)Die Zeit в статье «Вселенная как глубокая симуляция» рассказывает, что новые данные о чёрных дырах разжигают старый спор: живём ли мы в симуляции? Или физика заблудилась в воздушном замке, построенном из математических формул? Уровень упоротости: отсутствует 🟢 Но предупредаю сразу, это не бульварное чтиво, а научная статья, хотя и популяризированная. Не для средних умов.
Автор: Роберт Гаст. Перевёл: «Мекленбургский Петербуржец»
Для Нетты Энгельгардт этот вопрос почти как зависимость. При любой возможности она думает об этом, выводит математические формулы на бумаге, взвешивает аргументы, как утром в своём бостонском офисе в Массачусетском технологическом институте, так и в выходные. Что происходит внутри черной дыры?
«Работа над этим поглощает вас», - говорит Энгельхардт, улыбаясь во время видеосвязи, 34-летний физик с яркими глазами, каждое предложение которой - залп энтузиазма. Зачем быть в плохом настроении? Тема её исследований слишком увлекательна для этого, утверждает Энгельхардт. «Трудно не работать над ней».
Несколько лет назад молодая исследовательница так увлеклась чёрными дырами, что почти не спала. Через три недели она и трое её коллег частично решили проблему 40-летней давности, возможно, даже уличив легендарного физика Стивена Хокинга в ошибке. С тех пор эксперты, по крайней мере, имеют приблизительное представление о том, что может происходить внутри чёрных дыр - хотя на самом деле оттуда ничто не может вырваться, даже свет.
Верны ли эти идеи? Кто знает? Одно можно сказать наверняка: благодаря Энгельгардт и новому поколению исследователей идеи разлетаются быстрее, чем когда-либо за долгое время, и каждая из них более впечатляющая, чем предыдущая: модели вселенных, голограммы, червоточины, квантовые компьютеры, даже реальность как гигантская симуляция кажется мыслимой. «Невероятно, какие возможности открываются сейчас», - говорит Энгельгардт.
В основе всего этого лежит проблема, которую чёрные дыры давно подарили физике: в них сталкиваются два мировоззрения - теория относительности Эйнштейна и квантовая теория. Каждая из них описывает часть реальности: теория Эйнштейна - гравитацию между планетами, звёздами и галактиками; квантовая физика описывает силы между элементарными частицами в самой глубине материи.
Многие физики считают, что для того, чтобы понять чёрные дыры, необходимо объединить эти два мировоззрения. Ведь в пасти чудовища материя сжимается настолько плотно, что и гравитация, и силы квантового мира должны играть свою роль - ситуация, которая не встречается больше нигде во Вселенной, кроме Большого взрыва 13,8 млрд лет назад.
Но что происходит, когда явления из микромира и макромира смешиваются? Вспенивается ли тогда структура пространства-времени как губка, как предполагают некоторые эксперты? Вибрирует ли она в такт крошечным нитям и мембранам, как описывает теория струн? Может быть, она даже образует туннель в другую вселенную?
Пока никто не знает. В чёрную дыру нельзя заглянуть; на фотографиях космических объектов можно увидеть только тень. И все попытки рассчитать процессы внутри потерпели неудачу. Ведь как только работы Эйнштейна и квантовая теория объединяются в теорию квантовой гравитации, формулу мира, формулы приобретают такой же смысл, как дробь с нулём в знаменателе.
Эйнштейн снова и снова брался за эту проблему, но так и не смог решить её до самой своей смерти в 1955 году. Поэтому некий Стивен Хокинг в 1975 году принял компромиссное решение: теория гравитации Эйнштейна продолжает создавать сцену, на которой чёрные дыры процветают и пожирают материю. Но квантовая физика применима к отдельным частицам, будь то внутри или снаружи.
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Специалисты используют этот термин для описания атомов и «квантов» с 1920-х годов. Он относится к элементарным частицам, таким как электроны или безмассовые фотоны, из которых состоит свет. Чтобы рассчитать их взаимодействие, приходится делать предположения, которые трудно переварить: частицы могут одновременно находиться в двух различных мыслимых состояниях - природа определит, какое из них настоящее, только когда кто-то посмотрит. До тех пор мы можем лишь констатировать вероятности. Более того, частицы могут объединяться в пары и даже группы, которые координируют свои состояния, даже если они находятся слишком далеко друг от друга, чтобы обмениваться сигналами со скоростью света - это явление известно как запутывание.
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Альберт Эйнштейн использовал её в 1915 году, чтобы описать, откуда берётся гравитация. Физик Джон Арчибальд Уилер выразился лучше всего: «Материя говорит пространству, как изогнуться, а пространство говорит материи, как двигаться». Поэтому можно представить пространство, грубо говоря, как туго натянутую скатерть: массы, т.е. всё, от яблока до планеты Земля, создают на ней неровности, которые становятся тем больше, чем больше масса. Если другая масса приближается к бугорку, он начинает двигаться - это и есть то, что люди воспринимают как гравитацию. Кстати, теория носит своё странное название совсем по другой причине: в частичной версии, опубликованной в 1905 году, «специальной» теории относительности, Эйнштейн показал, что реальность кажется разной двум людям, когда они очень быстро перемещаются относительно друг друга. Законы природы, однако, остаются неизменными для каждого из наблюдателей.
ЧёРНЫЕ ДЫРЫ
Они являются крайним случаем в теории относительности Эйнштейна. Это связано с тем, что они объединяют так много материи в таком маленьком пространстве, что скатерть продавливается до самого пола: в структуре пространства-времени образуется прорезь, из которой (по всей видимости) нет выхода. Физики говорят о сингулярности. Её гравитация заставляет все, что приближается к ней, скатываться в бездну, даже свет не имеет шансов. Расстояние, за которым нет выхода, называется горизонтом событий.
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ВРЕМЯ
Это то, что физики называют нашей реальностью. Согласно всему, что известно, она состоит из четырёх измерений: три - пространство (вверх-вниз, влево-вправо, вперед-назад), одно - время. Теории, подобные теории струн, основаны на идее, что существуют другие, скрытые пространственные измерения в дополнение к известным. Они были бы свернуты в крошечный клубок, поэтому мы не замечаем их в нашей повседневной жизни. Мы больше не можем себе этого представить. Однако объекты в микромире могли бы проскользнуть в дополнительные измерения и тем самым фундаментально изменить физику, считают некоторые исследователи.
ВСЕОБЩАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ
Квантовая физика и теория относительности основаны на предположениях, которые противоречат друг другу: в одно время Вселенная разделена на мириады крошечных строительных блоков, называемых квантами, а в другое - это одна сплошная скатерть, полная неровностей. Большинство физиков предполагают, что для того, чтобы понять внутренности чёрных дыр (и Большого взрыва), эти два взгляда должны быть сведены вместе в некую всеобщую теорию поля. Однако поиск этой «теории всего» медленно продвигается уже несколько десятилетий. Одна из причин заключается в том, что дополнительные измерения теории струн совместимы с очень разными вселенными, в каждой из которых действуют свои законы природы. Число этих альтернативных миров головокружительно велико: с не менее чем 500 нулями оно даже значительно больше, чем (предполагаемое) число всех частиц в нашей Вселенной. Где и скрыта ли наша реальность в этой мультивселенной - неясно.
На самом деле, это была своего рода ловкость рук, с помощью которой можно было использовать формулы из обеих теорий без необходимости отвечать на вопрос, как эти два мировоззрения сочетаются друг с другом. Но этот полуклассический подход привёл Хокинга к удивительному предположению: чёрные дыры, вероятно, не являются вечными объектами, какими физики считали их ранее. Вместо этого они должны испаряться в течение веков, медленно, но неумолимо.
Это возможно благодаря особой особенности квантовой физики, согласно которой пары частиц могут появляться из ниоткуда. Если это происходит непосредственно у края чёрной дыры, то только одна из частиц должна упасть обратно в провал в пространстве-времени. Другая, однако, может покинуть водоворот в виде излучения Хокинга. Если чёрным дырам больше нечем питаться, они становятся всё легче и меньше, пока в конце концов не растворятся во взрыве.
Но, как уже признал Хокинг, это создаёт проблему. «Когда чёрные дыры испаряются, информация внутри них уничтожается», - говорит вюрцбургский физик Йоханна Эрдменгер. Это происходит потому, что излучение Хокинга совершенно случайно, это шум, не связанный с материей, которая в него попала. Если, например, Tesla Roadster Элона Маска, который был запущен в космос в 2018 году, однажды упадёт в чёрную дыру, масса спортивного автомобиля выйдет в виде излучения в какой-то момент времени - вот только по нему никогда нельзя будет восстановить, упала ли в дыру Tesla или просто старый VW Beetle.
Это кажется пустяковой деталью. Однако для таких экспертов, как Эрдменгер, на карту поставлен фундаментальный принцип квантовой физики: что в принципе можно восстановить прошлое каждой частицы во Вселенной, по крайней мере, на основе вероятностей. Эксперты считают, что чёрные дыры не должны изменить этот принцип, известный как унитарность: хотя извлечь информацию о прошлом проглоченной материи уже невозможно, в конце концов, никто не может заглянуть в чёрную дыру. Но информация должна сохраниться, как на зашифрованном жестком диске, до конца существования Вселенной.
С другой стороны, после эссе Хокинга вдруг показалось, что жёсткий диск со временем растворится. В течение своей жизни сам Хокинг снова и снова пытался найти решение этого информационного парадокса. Он даже вступил в публичную схватку со своим коллегой Леонардом Сасскиндом, который настаивал на сохранении информации. «Война за чёрную дыру», как писал Сасскинд в более мирные времена.
Но ни один из учёных не смог удовлетворительно разрешить парадокс, и он остаётся таковым по сей день - и с тех пор является ориентиром для всех, кто ищет теорию квантовой гравитации. С помощью таких идей, как теория струн, или конкурирующих подходов, таких как петлевая квантовая гравитация, предпринимались попытки найти такую теорию всего. Но работа над этим продвигалась мучительно медленно на протяжении десятилетий.
Поэтому в начале нового тысячелетия некоторые физики начали менять свою стратегию. Вместо того чтобы продолжать искать формулу мира в глубинах высшей математики, они попытались понять черные дыры в сильно упрощенных модельных мирах. В них, например, реальность состоит только из двух измерений - сфера превращается в круг без лишних слов. Гравитация также имеет другой эффект; объекты после каждого движения падают обратно в исходное положение. И вместо того, чтобы продолжаться, казалось бы, бесконечно во всех направлениях, упрощённые вселенные имеют край, подобно стеклянному шару со снегом с блошиного рынка.
Идея заключается в следующем: в такой сконструированной среде со многими вещами легче обращаться, уравнения более управляемы, расчёты порой проще. И прежде всего, в 1997 году аргентинцу Хуану Мальдасене удалось сделать то, о чём специалисты мечтали со времен Эйнштейна: построить мост между гравитацией и квантовыми силами без противоречий.
Для этого Мальдасена изгнал квантовые силы в оболочку особой вселенной - стеклянного шара со снегом, анти-де Ситтера, чьё пространство-время не плоское, как в нашей вселенной, а имеет форму седла. Его особенность в том, что всё, что находится на краю шара, имеет аналог внутри, где пространство искривляется под воздействием масс. Таким образом, мир становится своего рода проекцией внешнего мира, голограммой. И квантовая физика и гравитация внезапно кажутся двумя сторонами одной медали.
На самом деле Мальдасена хотел своей идеей продвинуть теорию струн. Вместо этого его гипотеза, названная AdS/CFT, стала инструментом для работы над информационным парадоксом. Потому что если мысленно пересадить чёрные дыры в одну из модельных вселенных, то там тоже появляется как будто связь между квантовыми физическими процессами на границе и геометрией пространства внутри.
ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПАРАДОКС
В 1970-х годах такие исследователи, как Стивен Хокинг, начали рассматривать черные дыры через призму квантовой физики. Одно из следствий этого взгляда: излучение, названное в честь Хокинга, заставляет тёмные гиганты испаряться очень медленно. Другое: можно рассчитать, сколько информации должна содержать чёрная дыра. Речь идет о количестве всех мыслимых состояний, которые теоретически может принять материя, попавшая в дыру; физики говорят об энтропии. На первый взгляд, однако, нет никакой связи между содержанием информации и излучением Хокинга. Поэтому долгое время казалось, что информация безвозвратно теряется при взрыве чёрной дыры.
ГОЛОГРАММА
Первоначально это процесс, с помощью которого, например, из слайдов можно было создавать изображения с трёхмерным видом. Самым известным примером, вероятно, является голограмма принцессы Леи, спроецированная в воздухе маленьким роботом R2-D2 в Четвёротом эпизоде «Звёздных войн» 1977 года. Физики теперь используют этот термин в более широком смысле: для них голограмма существует, когда изображение может быть полностью восстановлено из информации в более низком измерении. Примером из повседневной жизни являются сертификаты безопасности на банкнотах и кредитных картах: хотя это плоские, т.е. двумерные объекты, маленькие изображения выглядят как трёхмерный объект.
ADS/CFT-ДУАЛЬНОСТЬ
В 1997 году аргентинец Хуан Мальдасена обнаружил удивительную связь между гравитацией и квантовой физикой: в классе миров, которые появляются в мультиверсе теории струн, содержимое Вселенной возникает как голограмма из своего рода квантового кода, хранящегося на краю Вселенной. Однако для того, чтобы это сработало, необходимо находиться во Вселенной анти-де Ситтера (AdS), которая принципиально отличается от нашей расширяющейся (де Ситтера) Вселенной. Например, в мире анти-де Ситтера объект, брошенный вдаль, всегда возвращается в исходную точку. Для того чтобы мост между гравитацией и квантовым миром заработал, необходима модификация известной нам квантовой физики - «конформная теория поля» (CFT). Несмотря на эти ограничения, дуализм AdS/CFT Малдакена считается одним из самых важных открытий в современной теоретической физике.
ЧРЕВООТОЧИНА
Формулы теории относительности Эйнштейна совместимы со всеми видами экзотических объектов, которые никто никогда не видел. Один из них: туннель между двумя удалёнными точками пространства-времени. В принципе, такие червоточины могут существовать в двух вариантах: так называемые червоточины Шварцшильда, через которые могут пролетать космические корабли, как в фильме «Звёздный путь», но для этого нужна «экзотическая» материя с отрицательной массой (которой, вероятно, не существует). Более интересным для физиков-теоретиков является другой вариант, который Эйнштейн и его коллега Натан Розен, среди прочих, открыли в недрах теории относительности: эти мосты Эйнштейна-Розена были бы всего лишь крошечными отверстиями, которые через долю секунды снова закрываются. Но они могут существовать достаточно долго, чтобы передавать информацию.
Оппонент Стивена Хокинга Леонард Сасскинд уже подозревал об этом в 1990-х годах. Затем в 2006 году два японских физика рассчитали, что эта идея действительно должна работать в мире снежного шара Хуана Мальдакены. 13 лет спустя Нетта Энгельгардт и трое её коллег взялись за эту идею. В течение бессонных недель они продемонстрировали способ, с помощью которого информация может выходить из чёрной дыры. Для этого хорошо спрятанные области внутри должны образовать связь с краем с определённого момента существования дыры - возможность, которую Стивен Хокинг однажды упустил из виду в своих рассуждениях.
Предполагается, что связь возникает благодаря явлению запутывания, одной из особенностей квантового мира. При запутывании состояния двух частиц они связаны друг с другом, даже если они находятся слишком далеко друг от друга, чтобы обмениваться сигналами. Это звучит как большая страшилка, но, похоже, это действительно часть реальности: в 2022 году Нобелевская премия по физике была присуждена за доказательство того, что запутанность не вызывает сомнений в лабораторных экспериментах.
По мнению Нетты Энгельгардт, в чёрных дырах это явление теперь должно быть не просто диковинкой. «Упрощённо можно считать, что информация излучается вместе с излучением», - говорит бостонский физик. Конечно, в деталях всё гораздо сложнее. Она включает в себя абстрактные технические термины, такие как энтропия запутывания. И речь идет о подтверждении гипотетической связи между информационным содержанием чёрной дыры и её возрастом, которую бывший аспирант Стивена Хокинга Дон Пейдж уже предлагал в 1990-х годах в качестве решения информационного парадокса.
Команде Энгельгардта впервые удалось подтвердить эту кривую Пейджа подробными расчетами. В своей технической статье теоретикам понадобилось около 50 страниц, полных сложных математических трюков. И это несмотря на то, что на рассуждения по-прежнему накладывается множество ограничений. С одной стороны, речь по-прежнему идёт о полуклассическом взгляде, с которым Стивен Хокинг уже рассматривал чёрные дыры. С другой стороны, исследователи движутся в модели вселенной, имеющей только одно пространственное и одно временное измерение.
Тем не менее, Энгельхардт и три её соавтора получили за свою работу в 2021 году премию за научные исследования от миллиардеров Кремниевой долины Марка Цукерберга и Юрия Мильнера. Возможно, также потому, что две другие американские группы уже пришли к аналогичному результату, используя другой метод: вместо запутывания исследователи использовали червоточины - крошечные туннели в пространстве-времени, которые также могут установить связь между чёрной дырой и остальной Вселенной.
Такие короткие пути действительно являются гипотетической возможностью в теории относительности Альберта Эйнштейна. Поэтому влиятельные теоретики струн, такие как Хуан Мальдасена, уже давно утверждают, что эти конструкции могут быть просто ещё одним математическим представлением квантовой запутанности.
И это ещё не конец параллелей между квантовым миром и работой Эйнштейна, которые уже много лет восхищают исследователей: некоторые формулы в гипотезе Малдакены AdS/CFT напоминают программный код, который футуристические квантовые компьютеры вскоре будут использовать для исправления ошибок в своих вычислениях. Возможно, говорят некоторые, это не просто совпадение. Возможно, вся реальность в конечном итоге возникнет из квантовой информации. Отсюда всего один шаг до вопроса, который недавно задала даже почтенная The New York Times: «Живём ли мы все в гигантской компьютерной симуляции?».
Пока что всё это лишь предположения. Критики, например, жалуются, что вселенные снежного шара Хуана Мальдакены принципиально отличаются от нашей вселенной. Насколько разработанные там идеи имеют отношение к нашей реальности - вопрос открытый. И последние выводы о чёрных дырах также основаны на сильных упрощениях и приближениях. Например, в модели вселенной Нетты Энгельхардт тёмные гиганты на самом деле не испаряются - исследователям сначала пришлось прибегнуть к математике, чтобы встроить своего рода клапан, из которого может выходить излучение.
И, к сожалению, есть слабая надежда на то, что наблюдения в космосе вскоре смогут помочь прояснить истинность предположений. Согласно расчётам, излучение Хокинга от чёрных дыр настолько слабо, что его никогда не удастся обнаружить с помощью земных измерительных приборов. И даже если бы оно было обнаружено, его пришлось бы полностью собирать и хранить в течение многих, многих миллиардов лет. Только тогда футуристические компьютеры смогут ответить на вопрос, действительно ли тонкие узоры в излучении раскрывают что-то о внутреннем мире.
Так что в худшем случае теоретическая физика просто заблудится в воздушном замке, построенном из математики. Франкфуртский физик и YouTuber Сабина Хоссенфельдер громко предостерегает от такой возможности. Когда-то она сама занималась исследованием информационного парадокса, но сегодня называет работу над ним «пустой тратой времени»: даже через 1000 лет мы, вероятно, не будем знать, какая из идей в итоге верна, пишет Хоссенфельдер в своём блоге.
Клаус Кифер, физик из Кёльнского университета, выражается более дипломатично, восхваляя «интеллектуальный блеск», которого требует работа, подобная работе Нетты Энгельхардт. «В рамках данного направления исследований это, несомненно, крупные достижения». Йоханна Эрдменгер, которая со своей группой в Вюрцбургском университете изучает аналогичные вопросы, считает так же: «Проблема стала меньше, но она ещё не решена».
Тем не менее, Кифер и другие эксперты чувствуют определённую тревогу. Например, большая часть последних работ исходит от нескольких хорошо финансируемых институтов на западном и восточном побережьях США. Институты, которые с большой уверенностью публикуют результаты своих исследований. И которые на протяжении десятилетий формировались под влиянием теоретиков струн, увлекающихся сложной математикой. Многие из исследователей там проявляют повышенный интерес к спасению принципа унитарности от чёрных дыр. Ведь идея о том, что информация всегда должна сохраняться, лежит в основе не только квантовой физики, но и теории струн.
Критики жалуются, что часто отсутствует обмен мнениями с другими научными школами мысли. Клаус Кифер, например, говорит, что ему так и не удалось добиться от одной из американских групп сотрудничества с представителями других направлений исследований. Сам Кифер занимается исследованием информационного парадокса уже 30 лет, но он опирается на подходы с менее требовательным математическим формализмом. С другой стороны, он стремится оставаться как можно ближе к эмпирически проверяемой реальности.
«Я считаю, что физика - это экспериментальная наука, но, возможно, я старомоден», - задумчиво говорит кёльнский профессор. В любом случае, говорит он, конкретные, проверяемые предсказания - это то, что в своё время помогло и квантовой теории, и теории относительности совершить прорыв. И тот факт, что они часто не играют никакой роли в информационном парадоксе и теории струн, может означать, в худшем случае, что вы оказываетесь в тупике, не осознавая этого. «Впервые в истории физики мы переживаем ситуацию, когда есть тысячи теоретических работ на какую-то тему, но нет экспериментального предсказания».
Нетта Энгельгардт, конечно, знает о таких возражениях; она продолжает улыбаться, когда вы спрашиваете её об этом во время видеозвонка. «Наша задача как физиков - объяснить все явления во Вселенной», - говорит она. И в случае с чёрными дырами, говорит она, у нас сейчас нет иного выбора, кроме как положиться на математику и таким образом продолжать исследовать возможные пути к формуле мира. «Тот факт, что поиски её долгое время приносили разочарование, не может означать, что мы должны остановиться».
В любом случае, в последние годы Энгельхардт продолжала развивать свои идеи, и в новой технической статье она хочет вплотную подойти к разрешению информационного парадокса - правда, пока только в сильно упрощённой модели вселенной. «Всё просто прекрасно сочетается».
В конце концов, считает она, мы всё-таки дойдём до того момента, когда сможем проводить эксперименты по всем умозрительным идеям. «Как только мы найдём теорию квантовой гравитации, мы, безусловно, сможем использовать её для предсказаний процессов в нашей Вселенной». Например, можно будет предсказать изменения в космическом фоновом излучении - своего рода эхо Большого взрыва, которое астрономы изучают уже несколько десятилетий.
Энгельгардт надеется, что даже чёрные дыры смогут приоткрыть свою завесу. Возможно, что на вопрос об их внутреннем устройстве можно будет ответить только с помощью математики, ведь тёмные гиганты как бы заключены в капсулу из нашей Вселенной. «Но ответ есть». Ответ, который Нетта Энгельгардт хотела бы найти.
@Mecklenburger_Petersburger
Мекленбургский Петербуржец в: