Предположим, что у вас есть две квантово запутанные частицы. Одну вы бережно оставляете себе, а вторую кидаете в черную дыру. Разорвется ли их «мистическая» связь при пересечении горизонта событий? И главное — можно ли, измеряя свою частицу, узнать, что происходит по ту сторону космической бездны?
Содержание
Столкновение двух миров
Этот мысленный эксперимент сталкивает лбами две самые успешные и при этом фундаментально несовместимые физические теории: квантовую механику и Общую теорию относительности (ОТО) Эйнштейна.
С точки зрения классической ОТО, черная дыра — это космический стиратель памяти. Согласно теореме об отсутствии «волос», у любой черной дыры есть только три измеримых параметра: масса, электрический заряд и угловой момент (вращение). Неважно, из чего она образовалась — из водородной звезды, антиматерии или энциклопедий, — вся первоначальная информация кажется безвозвратно утерянной за горизонтом событий.
Но квантовая механика категорична: информация не может исчезнуть бесследно (принцип унитарности). Если частица падает в черную дыру, информация о ее квантовом состоянии должна где-то сохраниться.
Добавим сюда еще квантовую запутанность — явление, при котором две частицы разделяют общее квантовое состояние. То есть, измерив одну, вы мгновенно узнаете состояние другой, даже если они разнесены на световые годы. И озадачимся вопросом — что же произойдет, если одна из них окажется там, откуда не возвращается даже свет?
Что может убить запутанность?
Квантовая запутанность — штука невероятно хрупкая: связь сохраняется только до тех пор, пока ни одна из частиц не вступит в квантовое взаимодействие, которое «заставит» ее принять определенное состояние.
Даже если мы представим идеальный вакуум вокруг черной дыры (которого не бывает — там всегда полно блуждающих фотонов и нейтрино), частицу ждет суровое испытание у самого горизонта событий.
В 2012 году группа физиков-теоретиков (Альмхейри, Маролф, Полчински и Салли) предложила парадокс, известный как AMPS-файрвол. Чтобы черная дыра могла испаряться и при этом сохранять информацию (через излучение Хокинга), принципы квантовой механики требуют, чтобы падающая частица разрывала свои старые квантовые связи и запутывалась с исходящим излучением. Физики пришли к выводу, что у самого горизонта событий должна существовать стена высокоэнергетических частиц — файрвол, — который буквально сжигает падающий объект, навсегда разрушая его первоначальную запутанность с вашей частицей-напарником, оставшейся снаружи.
Однако сегодня многие теоретики считают файрвол лишь гипотезой. Она опирается на принцип строгой локальности, который в рамках многих теорий квантовой гравитации может нарушаться. Если локальность не абсолютна и файрвола нет, то частица спокойно пересечет горизонт событий, сохранив свою запутанность с частицей снаружи.
Можно ли «хакнуть» черную дыру?
Допустим, наша частица все-таки выжила и находится внутри. Запутанность сохранена. Можем ли мы теперь использовать оставшуюся у нас частицу как шпионский гаджет, чтобы узнать, что происходит в недрах черной дыры?
Увы, нет. Научная фантастика приучила нас думать, что квантовая запутанность — это эдакий сверхсветовой телеграф. Кажется, если «ущипнуть» свою частицу здесь, вторая мгновенно ойкнет по ту сторону горизонта событий. К сожалению, это миф: Вселенная не позволит вам использовать квантовую механику как шпионский гаджет.
Чтобы понять масштаб разочарования, забудьте про рации и представьте пару перчаток, разложенных по двум глухим коробкам. Одну коробку вы оставляете в лаборатории, а вторую сбрасываете в черную дыру.
Если вы откроете свою коробку и увидите там правую перчатку, вы мгновенно, быстрее скорости света, поймете: в черную дыру сейчас падает левая. Звучит круто, правда? Но есть подвох. Вы не можете заставить свою перчатку стать правой или левой по своему желанию, чтобы отстучать напарнику азбуку Морзе. До момента измерения частица находится в неопределенности, а при наблюдении принимает состояние абсолютно случайно — как при броске монетки. Нет контроля над результатом — нет и передачи информации.
Более того, квантовая связь — штука очень хрупкая и одноразовая. Любая попытка измерить вашу частицу (чтобы хоть что-то узнать) или любое столкновение падающей частицы с суровой средой внутри черной дыры работает как триггер. В это же мгновение невидимая связь между ними навсегда рвется.
Вы не можете использовать свою частицу как датчик давления или скрытую камеру. Запутанность — это идеальное совпадение, а не физическая нить, за которую можно дергать. Поэтому, посмотрев на свою частицу, вы лишь узнаете случайный результат, но не скачаете ни байта данных о том, какова кривизна пространства внутри черной дыры и как выглядит сингулярность. Горизонт событий остается абсолютно непроницаемым.
Долгое ожидание ответа
Так куда же девается информация? Современная физика предполагает, что когда частица пересекает горизонт событий, черная дыра становится чуть больше. Ее площадь увеличивается ровно на одну планковскую площадь (10−70 квадратных метров) на каждый бит падающей информации. Информация буквально «отпечатывается» на поверхности горизонта.
Со временем черная дыра начнет испаряться за счет излучения Хокинга. Квантовые эффекты в искривленном пространстве-времени заставят ее медленно терять массу и излучать частицы обратно во Вселенную. Вся информация, которая когда-либо попала в черную дыру, в конечном итоге вернется.
Правда, есть два нюанса:
- Она окажется настолько экстремально перемешана («скрэмблирована»), что собрать из этого теплового шума исходные данные будет практически невозможно.
- Ждать придется долго. Для черной дыры массой с Солнце процесс полного испарения займет около 1067 лет (напомним, возраст нашей Вселенной — скромные 13,8×109 лет).
Итог
Квантовая запутанность, скорее всего, способна пережить падение в черную дыру (если вас по пути не испепелит гипотетический горизонт-файрвол). Однако природа — строгий цензор. Вы не сможете использовать этот квантовый мост для извлечения секретов изнутри. Любая попытка подсмотреть за происходящим лишь разорвет деликатную связь. Вселенная надежно хранит свои тайны, по крайней мере, на ближайшие девятнадцать квадриллионов лет.
Читайте также: Источником энергии для «сердца» Млечного пути может быть не черная дыра, а темная материя
Помочь донатом на Boosty.
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.
