Очень важно четко определить, действительно ли в черных дырах вся информация пропадает бесследно или в принципе ее можно восстановить. Многие ученые полагают, что информация не должна исчезать, но на протяжении многих лет еще никто не предложил механизма, с помощью которого ее можно сохранить. Эта очевидная утрата информации, известная как информационный парадокс, беспокоит ученых последние сорок лет и до сих пор остается одной из важнейших нерешенных проблем теоретической физики.
Недавно интерес к возможности разрешения информационного парадокса возродился благодаря новым открытиям в области объединения гравитации и квантовой механики. Центральным для этого научного прорыва является понимание симметричности пространства-времени.
Предположим, гравитации не существует, а пространство-время абсолютно плоское. Это можно сравнить с совершенно безжизненной пустыней. Такое место обладает двумя типами симметрии. Первый называется трансляционной симметрией. Если перемещаться в такой пустыне от одной точки к другой, то вы не заметите никаких изменений. Второй тип – вращательная симметрия. Если встать в какой-то точке пустыни и начать поворачиваться, вы тоже не заметите никаких различий в том, что открывается перед глазами. Такие симметрии также встречаются в «плоском» пространстве-времени, в пространстве-времени, которое существует при отсутствии материи.
Но если что-то поместить в эту пустыню, симметрия будет нарушена. Допустим, в пустыне появились гора, оазис и несколько кактусов: в таком случае в разных точках и различных направлениях она будет выглядеть иначе. Это справедливо и в отношении пространства-времени. Если в пространстве-времени размещены объекты, то и трансляционная, и вращательная симметрии будут нарушены. Введение объектов в пространство-время и создает гравитацию. Черная дыра – это область пространства-времени с сильной гравитацией; пространство-время в ней сильно искажено, и можно ожидать, что симметрия там нарушена. Однако при удалении от черной дыры искривление пространства-времени становится все более слабым. Очень далеко от черной дыры пространство-время выглядит как совершенно плоское.
В далекие 1960-е годы Г. Бонди, A. Метцнер, M. ван дер Бург и Р. Сакс сделали поистине удивительное открытие: пространство-время на большом удалении от материи обладает бесконечным набором симметрий, которые назвали супертрансляционными. Каждая из таких симметрий связана с сохраняющимися величинами, которые называются супертрансляционными зарядами. Сохраняющаяся величина – это величина, которая не изменяется в процессе эволюции системы. Это обобщения более знакомых сохраняющихся величин. Например, если пространство-время не изменяется во времени, тогда сохраняется энергия. Если пространство-время выглядит одинаково в различных точках пространства, тогда сохраняется импульс. Примечательным в открытии супертрансляций является то, что на большом расстоянии от черной дыры существует бесконечное количество сохраняющихся величин. Именно эти законы сохранения дают необычное и неожиданное представление о процессах в гравитационной физике.
В 2016 году я вместе со своими соавторами Малкольмом Перри и Эндрю Строминджером пытался применить эти новые результаты с имеющими к ним отношение связанными величинами для разрешения информационного парадокса. Мы знаем, что черная дыра обладает тремя явными параметрами: массой, зарядом и параметром вращения. Это классические заряды, о которых давно известно. Однако черная дыра содержит еще и супертрансляционный заряд. Возможно, черные дыры представляют собой нечто большее, чем мы думаем. На самом деле они не лысые и не с тремя волосками, а обладают большим количеством супертрансляционных волос.
Эти супертрансляционные волоски могут содержать закодированную информацию о том, что находится внутри черной дыры. Вероятно, супертрансляционные заряды содержат не всю информацию, но остальную можно получить благодаря дополнительным сохраняющимся величинам, суперротационным зарядам, ассоциированным с некими дополнительными связанными симметриями – суперротациями, о которых пока мало что известно. Если это верно и всю информацию о черной дыре можно понять в показателях ее «волос», то, возможно, потери информации и не происходит. Эта идея недавно получила подтверждение в новейших исследованиях. Строминджер, Перри, я и аспирантка Саша Хако выяснили, что эти суперротационные заряды могут отвечать за всю энтропию любой черной дыры. Квантовая механика остается в силе, и информация хранится на горизонте, на поверхности черной дыры.
Известными характеристиками черной дыры по-прежнему остаются ее общая масса, электрический заряд и вращение снаружи горизонта событий, но сам горизонт событий содержит информацию, дополняющую эти три характеристики, необходимую для того, чтобы понять, что упало в черную дыру. Процесс познания продолжается, но информационный парадокс остается неразрешимым. Впрочем, я оптимист и надеюсь, что мы движемся в правильном направлении. Следите за новостями.
6
Возможно ли путешествие во времени?
В научной фантастике искривление пространства и времени – обычное дело. Его используют для быстрого перемещения по Галактике или для путешествий во времени, но научная фантастика сегодняшнего дня зачастую становится научным фактом дня завтрашнего. Так каковы шансы путешествий во времени?
Идея о том, что пространство и время могут искривляться, или искажаться, возникла совсем недавно. Более двух тысяч лет аксиомы эвклидовой геометрии считались самоочевидными. Те из вас, кому приходилось учить геометрию в школе, могут помнить одно из следствий этих аксиом: сумма углов треугольника равна 180 градусам.
Тем не менее в прошлом веке люди начали понимать, что возможны и другие представления о геометрии и что сумма углов треугольника не обязательно должна составлять 180 градусов. Возьмем, к примеру, поверхность Земли. Максимально приближенная к прямой линия на поверхности Земли называется «большим кругом». Это кратчайший путь между двумя точками, поэтому именно так прокладывают дальние маршруты пассажирских авиалайнеров. Представим теперь треугольник на поверхности Земли, сторонами которого будут экватор, нулевой меридиан, проходящий через Лондон, и меридиан в 90 градусов восточной долготы, проходящий через Бангладеш. Эти два меридиана пересекают экватор под прямым углом в 90 градусов. На Северном полюсе они тоже встречаются под углом в 90 градусов. Таким образом, получается треугольник с тремя прямыми углами. Сумма их составляет, как нетрудно посчитать, 270 градусов, что гораздо больше суммы углов треугольника, прочерченного на плоскости. А если нарисовать треугольник на седлообразной поверхности, может оказаться, что сумма его углов будет меньше 180 градусов.
Поверхность Земли – это двумерное пространство. То есть вы можете перемещаться по поверхности Земли в двух направлениях, расположенных под прямым углом друг к другу: в направлении с севера
