Черните дупки на Стивън Хокинг
Известният британски физик Стивън Хокинг е любител на облозите и редовно се хваща на приятелски басове със своите колеги по ключови въпроси в областта на теоретичната физика. „Когато Стивън и аз се срещнахме за първи път, долових, че би се забавлявал, ако с него се държат непочтително”, пише в Туитър Джон Прескил, физик от Калифорнийския технологичен институт, в деня на смъртта на Хокинг. „Така че можех да го прекъсна в разгара на научна дискусия с думите: „Какво те кара да си толкова сигурен в това, господин Всезнайко?”, знаейки, че Стивън би ми отговорил с весели пламъчета в очите: „Искаш ли да се обзаложим?”. И те се обзалагат. През 1991 г. Хокинг и Кип Торн се хващат на бас с Прескил, че информацията, която е погълната от черна дупка, се унищожава и никога не може отново да бъде извлечена. Това предвиждане, наречено информационен парадокс на черните дупки, произтича от забележителното откритие на Хокинг от 1974 г. за черните дупки – област на гравитация, от която не може да се избяга, където пространство-времето рязко се изкривява в посока към една централна точка, известна като сингулярност.
Черни ли са наистина черните дупки?
Хокинг разкрива, че черните дупки не са наистина черни. Квантовата неопределеност ги кара да излъчват незначително количество топлина, кръстена „лъчението на Хокинг”. В хода на този процес те губят маса и в крайна сметка се изпаряват. Това изпаряване на свой ред води до парадокс: всяко нещо, което попадне в черна дупка, както изглежда, ще изчезне завинаги, нарушавайки „унитарността” – най-важния принцип на квантовата механика, според който настоящето винаги съхранява информация за миналото. Хокинг и Торн твърдят, че излъчваната от една черна дупка радиация би била прекалено хаотична, за да извлече каквато и да било полезна информация за материята, попаднала в черната дупка, дори и по принцип. Прескил се обзалга, че информацията по някакъв начин се измъква от черните дупки, въпреки че физиците вероятно ще имат нужда от завършена теория на квантовата гравитация, за да разберат механизма, по който това би могло да се случи. Физиците решават, че са намерили разрешение на парадокса през 2004 г. с идеята за допълването на черните дупки. Според това предложение информацията, която пресича хоризонта на събитията на една черна дупка, едновременно се отразява обратно навън и преминава вътре в черната дупка, без да може никога да се измъкне. Тъй като нито един наблюдател не може да бъде едновременно от външната и от вътрешната страна на хоризонта на събитията, никой не може едновременно да стане свидетел и на двата процеса, така че няма никакви противоречия. Доводът е достатъчен, за да убеди Хокинг да признае, че е загубил облога.
По време на конференция през юли 2004 г. в Дъблин той подарява на Прескил осмото издание на „Всичко за бейзбола: Най-добрата енциклопедия по бейзбол” (Total Baseball: The Ultimate Baseball Encyclopedia), „от която може да се извлича информация по всяко време”. Торн обаче отказва да приеме, че е загубил спора, и изглежда, че има основание за това. През 2012 г. възниква нов обрат във връзка с парадокса. Тъй като до този момент никой не е обяснил точния механизъм, по който информацията би могла да излезе от черната дупка, това вдъхновява Джоузеф Полчински и трима негови колеги да преразгледат проблема. Дълго време общоприетото мнение е, че щом веднъж един обект е пресякъл хоризонта на събитията, той бавно ще бъде раздробен от необикновено силната гравитация, докато пада към сингулярността. Полчински и съавторите му твърдят, че, напротив, падащите в черната дупка обекти ще се натъкнат буквално на „огнена стена” близо до хоризонта на събитията и ще изгорят, преди дори да се доближат до сингулярността.
Законите на физиката и черните дупки
В основата на загадката с „огнената стена” лежи противоречието между три фундаментални постулата. Първият е принципът на еквивалентността на Айнщайновата Обща теория на относителността: тъй като няма разлика между ускорението, произтичащо от гравитацията, и ускорението на ракетата, астронавтът на име Алис няма да почувства нищо нередно, докато пресича хоризонта на събитията на черната дупка. Вторият е унитарността, която предполага, че информацията не може да бъде унищожена. И накрая е принципът на локалността, според който събитията, случващи се в определена точка в пространството, могат да оказват влияние само върху близки точки. Това означава, че физическите закони би следвало да функционират нормално далеч от черната дупка, дори и да спрат да работят в някаква точка вътре в черната дупка – близо до сингулярността или до хоризонта на събитията. За да се разреши парадоксът, един от трите постулата трябва да бъде пожертван, но учените не могат да постигнат съгласие кой от тях да отиде под ножа.
Най-простото разрешение е принципът на еквивалентността да спре действието си на хоризонта на събитията, предизвиквайки по този начин появата на „огнената стена”. През следващите години обаче са предлагани и някои други възможни решения. Например няколко години преди тезата за „огнената стена” Самир Матур, поддръжник на теорията на струните от Щатския университет на Охайо, повдига сходни въпроси с идеята си, че черните дупки трябва да се представят като „пухкави топки”, познати от струнната теория. „Пухкавите топки” не са празни ями като традиционните черни дупки. Те са изпълнени със струни (от онези, описани в теорията на струните) и имат повърхност като на звезда или планета. Също така излъчват топлина под формата на радиация. Спектърът на тази радиация, както установява Матур, съвпада точно с предвиждането за „лъчението на Хокинг”. Неговото „предположение за пухкавата топка” разрешава парадокса, като го обявява за илюзия. Как би могла да бъде изгубена информацията отвъд хоризонта на събитията, след като няма хоризонт на събитията? Самият Хокинг застъпва подобни позиции в дебата за „огнената стена” в текст от две страници без уравнения, публикуван в края на януари 2014 г. на сайта за предварителни научни публикации arxiv.org. Текстът представлява обобщение на неформалните му коментари, направени по Скайп за малка конференция предната пролет. Той предлага преосмисляне на хоризонта на събитията. Вместо точно определена линия в небето, от която нищо не може да избяга, той предполага, че е възможно да съществува „видим хоризонт”. Информацията се запазва отвъд този хоризонт само временно. В крайна сметка информацията „избягва”, но е в такова хаотично състояние, че никога не може да бъде интерпретирана.
Той сравнява задачата с метеорологичните прогнози: „Човек не може да предскаже какво ще бъде времето повече от няколко дни напред”. През 2013 г. Ленард Съскинд и Хуан Малдасена, теоретични физици съответно от Станфордския университет и Института за авангардни изследвания в Принстън, правят радикален опит да спазят принципа на локалността, който наричат „ER = EPR” (съкращенията идват от фамилните имена на авторите на първите научни текстове за „червеевите дупки” – Алберт Айнщайн и Натан Розен, и респективно за сплетените състояния на частиците – Айнщайн, Борис Подолски и Розен). Според тази идея е възможно точките, за които мислим, че са далечни в пространство-времето, изобщо да не са толкова далеч. Сплитането вероятно създава невидими микроскопични „червееви дупки”, които свързват привидно отдалечени точки. Приличаща донякъде на октопод, такава „червеева дупка” би трябвало да свърже вътрешността на черната дупка директно с „лъчението на Хокинг”, така че частиците, които вече са погълнати от черната дупка, директно биха били свързани с отдавна „избягалите” частици, като по този начин се елиминира необходимостта информацията да преминава през хоризонта на събитията. Физиците все още не са постигнали консенсус по някое от тези предложени решения. Обстоятелството, че те продължават да спорят за информационния парадокс на черните дупки толкова десетилетия, след като предвиждането на Хокинг за първи път е публично оповестено, е свидетелство за уникалния гений на британския учен.
