Квантовата тъкан на пространство-времето

Червееви дупки разплитат парадокса на черните дупки

Една нова и смела идея има за цел да свърже две известни противоречиви описания на природата. Така тя може и да разкрие как пространство-времето дължи съществуването си на призрачните действия на квантовата информация.

Сто години след Айнщайновата обща теория на относителността физиците още не могат да решат един от най-сложните проблеми с безтегловността във Вселената.

Айнщайн е описал пространство-времето като картина на Салвадор Дали – плавна, безшевна, без прекъсвания, геометрична.

Но квантовите частици, изпълващи пространството, повече приличат на творение на Жорж Сьора – точно, дискретно, описвано от вероятности.

Основите на тези две описания си противоречат. Но нова идея предполага, че квантовите корелации между различните точки от картината на импресиониста създават не само ландшафтите на Дали, но и платното, върху което те са нанесени – а също и триизмерното пространство около тях.

Описанието на новата идея, ER = EPR – е като инициали, издълбани върху дърво. Това е обединение на двете идеи, предложени от Айнщайн през 1935 г. Едната – парадоксът на Айнщайн–Подолски–Розен (EPR), „призрачното действие на разстояние“ (spooky action at a distance) между две елементарни частици. Втората – връзката между две черни дупки чрез червеви дупки (моста Айнщайн–Розен, ER). По време на раждането на тези идеи не се разглеждала никаква връзка между тях.

Ами ако приемем, че тези две идеи са прояви на едно и също? Тогава тази връзка ще се окаже основата на цялото пространство-време. Квантовото заплитане, което толкова притеснявало Айнщайн, ще бъде проявление на пространствените връзки, омрежващи пространството, както казва Ленард Съскинд, физик от Станфордския университет и един от авторите на идеята.

Без такива връзки пространството би се разпаднало на „атоми“, според Хуан Малдасена, физик от Принстънския институт за перспективни изследвания, съавтор на идеята.

„С други думи, твърда и надеждна структура на пространство-времето е възможна само благодарение на невидими заплитания“, казва той. Освен това хипотезата ER = EPR може да хвърли светлина върху връзката между гравитацията и квантовата механика.

Разбира се, тази идея не харесва на всички (според Съскинд – не е и необходимо, тя още е в зародиш). Джо Полчински, изследовател от Калифорнийския университет в Санта Барбара, е предпазлив в своите оценки, но е заинтересуван: „Не зная къде се движи всичко това, но изглежда доста интересно.“

Битката при черната дупка

Пътят, водещ към ER = EPR, прилича на лента на Мьобиус, преминаваща сама в себе си, и напомня рисунка на Ешер.

Да започнем с квантовото заплитане. Ако две частици са заплетени, те се превръщат в две части от едно цяло. Каквото се случи с едната, се случва и с другата, независимо от разстоянието между тях.

Малдасена обяснява това с пример с чифт ръкавици – ако сте открили дясната, веднага знаете, че другата е лявата. В това няма нищо призрачно. Но в квантовата механика двете ръкавици едновременно са и леви, и десни (и всички междинни варианти), докато не проведете наблюдение над едната от тях. Което е още по-странно – лявата ръкавица не става лява, докато не откриете дясната – и в този момент и двете придобиват своите свойства.

Заплитането е тясно свързано с открития от Стивън Хокинг през 1974 г. факт, че черните дупки се изпаряват. В пространството постоянно се появяват двойки виртуални частици материя и антиматерия. Хокинг разбрал, че ако едната частица падне в черната дупка, а другата избяга от нея, то дупката ще изпуска лъчение. След достатъчно време дупката ще изчезне, което повдига въпроса за информацията, изчезваща заедно с нея.

Но законите на квантовия свят забраняват унищожаването на информацията. Затова възниква въпросът: ще бъде ли информацията, попадаща в черната дупка, просто кодирана, или действително ще изчезне? Споровете по този повод са довели до така наречената война на черните дупки.

В края на краищата Съскинд разбрал, че цялата информация, паднала в дупката, попада в капана на нейния двумерен хоризонт на събитията. И всичко се съхранява в него, като триизмерното изображение в холограмата. Информацията не се губи – тя се кодира и се съхранява на недостъпно място.

Продължавайки работа над идеята, Съскинд и Малдасена започнали да използват холографския принцип не само за разбирането на черните дупки, но и за всеки участък от пространството, който може да опише неговите граници.

За последните десет години безумната идея, че пространството е холограма, се е превърнала в обикновена, в инструмент на физиката, използван навсякъде – от космологията до свръхплатната материя.

„Едно от тези събития, случващи се с научните идеи, се състои в това, че те от безумна идея преминават в добра идея, а след това – в работен инструмент – казва Съскинд. – Това вече става рутина.“

Холографският принцип бил свързан с това, което се случва на границите на обектите, включително хоризонта на събитията на черните дупки. Останал въпросът: какво се случва вътре? Тъй като никаква информация не може да напусне вътрешността на хоризонта на събитията, законите на физиката забраняват непосредствените проверки на вътрешността на черната дупка.

След това, през 2012 година, физиците Ахмед Алмхейри (Ahmed Almheiri), Доналд Маролф (Donald Marolf), Джоузеф Полчински (Joseph Polchinski) и Джеймс Съли (James Sully) от Калифорнийския университет в Санта Барбара стигнали до извода, че наблюдател ще може да разшифрова информацията от лъчението, като скочи в черната дупка и тогава сравни тази информация със забранения дубликат по време на своето падане.

Така наречената работа AMPS (по инициативата на авторите) гласи, че черните дупки изобщо може да нямат вътрешности, тъй като „огнената стена“ на хоризонта на събитията унищожава всичко, което се опита да разкрие нейните тайни.

Да измерим огнената стена

Същината на изследването е следната: ако хоризонтът на събитията на черната дупка е плавно и обикновено място, както предсказва ОТО (авторите наричат това условие „без драматизъм“), частиците, излитащи от черната дупка, трябва да са заплетени с частиците, падащи в дупката.

Но за да не загубят информацията, частиците, излитащи от дупката, трябва да са заплетени и с тези, които отдавна са напуснали дупката и сега са разнесени някъде по цялото лъчение на Хокинг. Излиза, че имаме прекалено много заплитания.

Заплитане не може да съществува между три частици едновременно („полигамията“ в квантовия свят е невъзможна, а това значи, че в „гърлото“ на черната дупка не може да съществува гладко и непрекъснато пространство-време. Пречупването на заплитането на хоризонта означава наличието на граница на пространството там – огнена стена.

Стивън Шенкер, физик от Станфорд, нарекъл AMPS „стартов ключ“. Физиците обичат такива парадокси – те представляват плодородна почва за открития.

Съскинд и Малдасена веднага се хванали за идеята. Те работели над своите заплитания и червееви дупки, вдъхновени от работата на Марк ван Раамсдонк, физик от университета на Британска Колумбия във Ванкувър. Той извършил важен мислен експеримент, установил, че заплитането и пространство-времето са силно свързани помежду си.

„Веднъж Хуан ми изпрати загадъчно съобщение, съдържащо уравнението ER = EPR – казва Съскинд. – Веднага разбрах какво има предвид и започнахме да обсъждаме идеята.“

Според идеята ER = EPR заплетените частици във и извън хоризонта на събитията на черната дупка са свързани чрез червееви дупки.
© Olena Shmahalo/Quanta Magazine

Те представили своите мисли в работата от 2013 г. „Студените хоризонти на заплетените черни дупки“, описвайки заплитането, което имали предвид авторите AMPS – това, което свързва пространство-времето. AMPS смятали, че частите от пространството отвътре и отвъд хоризонта на събитията са независими.

Но Съскинд и Малдасена смятат, че частиците от двете страни на границата може да са свързани чрез червеева дупка и това може да реши парадокса. Картината от изследването някои учени на шега наричат „октопод“ – множество червееви дупки идват от вътрешността на черната дупка към лъчението на Хокинг отвън.

С други думи, не е необходимо да се измисля заплитане, създаващо странности върху гладката повърхност на гърлото на черната дупка. Частиците вътре няма да бъдат непосредствено съединени с частиците отвън, които отдавна са отлетели далеч. Не е необходимо и да преминават през хоризонта. Вътрешните и външните частици съставят едно цяло, както пояснява Малдасена. Октоподът обединява вътрешността на черната дупка с частиците от облака лъчение на Хокинг.

Дупки в дупката

Засега няма увереност в това, че ER = EPR ще реши проблема с огнената стена. Джон Прескил, физик от Калифорнийския технологичен институт, напомня, че понякога физиците надвесват нос, за да „подушат“ многообещаващи теории. И първият „нюх“ на теорията ER = EPR „може да ухае свежо и приятно, но тя още трябва да узрее на рафта“.

И все пак Шенкер твърди, че съответствието между заплитането на частиците и геометрията на плавно огънатото пространство-време е голяма работа. Това позволило на него и колеги от Института за перспективни изследвания да поработят със сложни задачи от квантовия хаос по такъв начин, че „Тази проста геометрия беше неясна и за мен“, както казва Шенкер.

ER = EPR не описва всяка част от всяко пространство или всяко заплитане. Тя подхожда на специално заплитане и специални червееви дупки. Маролф, който наскоро публикува работа, описваща червееви дупки с повече от два края, смята, че на физиците е известно за тези ограничения. ЕR = EPR работи в специални случаи, но AMPS твърди, че огнената стена представлява много по-широка задача.

Маролф и други са обезпокоени, че ER = EPR ще измени стандартната квантова механика. „Имам усещане, че тази шега си я разбират само Лени и Хуан – казва Маролф. – Но така или иначе работим в интересно време за науката.“