Juodosios bedugnės informacijos paradoksas

Juodoji bedugnė yra erdvės sritis, kurios tankis toks didelis, kad iš jos ištrūkti negali niekas, – net šviesa juda pernelyg lėtai. Bent jau taip manyta iki aštuntojo dešimtmečio, kai Stephenas Hawkingas pateikė skaičiavimus, rodančius, kad juodosios bedugnės nėra tokios jau juodos. Jos, tvirtino Hawkingas, pamažu spinduliuoja, skleisdamos vadinamą Hawkingo spinduliavimą, o tai reiškia, kad juodoji bedugnė galiausiai išgaruoja.

Hawkingo skaičiavimai sukėlė problemą. Kvantinėje teorijoje informacija pradingti negali, o kas nutinka su informacija juodojoje bedugnėje? Kur ji dedasi? Būtent čia nesutaikomai susirėmė gravitaciją aprašanti ir juodąsias bedugnes pagimdžiusi Alberto Einšteino bendroji reliatyvumo teorija ir subatominį pasaulį vedanti kvantinė teorija.

Panašu, dabar nedaug trūksta iki šio konflikto sprendimo, kas fundamentaliai paveiks mūsų supratimą apie kosmosą.

Pasikalbėjmeo su dalelių fizikais Brianu Coxu ir Jeffu Forshaw iš Manchesterio universiteto apie naujausią juodųjų bedugnių informacijos paradokso supratimą, ką tai byloja apie erdvėlaikio kilmę ir kodėl gilioji visatos struktūra stulbinamai primena kvantinį kompiuterį.

Abigail Beall: Dauguma žmonių juodąsias bedugnes tikriausiai įsivaizduoja kaip didžiulius objektus, susidariusius iš kolapsuojančių žvaigždžių ir pasižyminčių gigantiška gravitacija. Kuo juodosios bedugnės svarbios dalelių fizikai?

Jeff Forshaw: Juodosios bedugnės – ir su kvantine fizika ir su bendruoju reliatyvumu susijusi tema, tačiau nei vienas, nei kitas jos negali nuosekliai apibrėžti, kas nutinka, garuojant juodosioms bedugnėms. Kažkas turi pasiduoti. Klaidinga arba kvantinė mechanika, arba bendrasis reliatyvumas.

Brian Cox: Ir svarbu, kad ši kvantinės mechanikos ir bendrojo reliatyvumo kolizija vyksta greta juodosios bedugnės įvykių horizonto, ribos, iš už kurios šviesa negali pasprukti. Jau seniai žinota, kad to, kas vyksta singuliarume, – taške juodojoje bedugnėje, kur erdvėlaikis taip ekstremaliai iškreiptas ir gravitacija tokia stipri, kad visos BRT formulės tiesiog rodo begalybę, – be kvantinės gravitacijos paaiškinti negalima.

Tačiau svarbiausia, kad ši kolizija vyksta regione, kur negalima tiesiog pakelti rankų ir sakyti „čia kažkas susiję su singuliarumu, tai tiesiog pamirškim“. Šiame regione gravitacija nėra pabaisiškai stipri, tad kvantinės gravitacijos pagalbos nereikia.

— Pristatydamas šią koliziją, Hawkingas priešinosi kvantinei teorijai, sakydamas, kad radiacija iš juodosios bedugnės pabėga ir jos nešama informacija išnyksta. Ką šiuo atveju reiškia informacija?

JF: Įsivaizduokite viską, kas krenta į juodąją bedugnę. Tai galima aprašyti ilga nulių ir vienetų – bitų – seka. O pritaikius šią informaciją dekoduojantį algoritmą, galima sužinoti, kas įkrito. Informacija yra trumpiausia bitų atkarpa, kurios užtenka visiškai aprašyti įkritusį dalyką, kas tai bebūtų, knyga, krūva kvantinių bitų ar kolapsuojanti žvaigždė.

BC: Tai yra determinizmas, centrinis fizikos elementas. Viską žinant apie sistemą kuriame nors taške, galima galima prognozuoti, kas jos laukia ateityje ir kas su ja vyko anksčiau.

— O kas nutinka su informacija, kai spinduliavimas sklinda iš juodosios bedugnės?

BC: Jei informacija išsaugoma, tuomet, iš principo, būtų galima surinkti visą tą Hawkingo spinduliavimą ir jį kažkaip apdoroti. Tuomet, atsukant laiką atgal, rekonstruoti, pavyzdžiui, kokia žvaigždė kolapsavo į juodąją bedugnę. Bet taip nebuvo, nes pirminiuose Hawkingo skaičiavimuose juodųjų bedugnių spinduliavime jokios informacijos nebuvo visai.

JF: Hawkingo skaičiavimai rodė, kad algoritmo, kuriuo būtų galima nors kokią informaciją iš šio spinduliavimo išgauti, nėra. Toks buvo pirminis Hawkingo skaičiavimas – informacija juodojoje bedugnėje prarandama, o tai prieštarauja esminiam kvantinės mechanikos postulatui – kad informacija išlieka, ir rodo, kad kvantinė teorija yra klaidinga.

— Bet ne visi pritarė Hawkingo idėjai. Kas nutiko?

JF: Fizikos teoretikas Gerard 't Hooft ir Leonardas Susskindas teigė: „Tarkime, kad informacija išorėn nepateka ir kvantinė mechanika yra teisinga.“ Tuomet kyla tikra problema. Informacija iš juodosios bedugnės sklinda, bet objektai per įvykių horizontą krenta į singuliarumą. Mechanizmas kam nors išsigauti iš singuliarumo neegzistuoja.

Jie suvokė, kad pašalinio stebėtojo požiūriu, per horizontą niekas neįkrenta. Viskas tiesiog sustingsta, sustoja. Iš tiesų, tai yra labai karšta membrana, ir bet kas ant jos nukritęs išgaruoja.

Jei numesčiau knygą į juodąją bedugnę, iš mano perspektyvos, ji sunaikinama, sudega ir pasklinda visame juodosios bedugnės horizonte, o paskui išspinduliuojama, kaip Hawking spinduliavimo forma. Knyga sudegė ant horizonto. Bet knygos požiūriu, ji tiesiog kirto horizontą. Jei kristume per juodosios bedugnės įvykių horizontą, nieko ypatingo nepajustume.

Stepheno Hawkingo juodosios bedugnės paradoksas pagaliau turi sprendimą.

— Tai knyga įkrenta, ar taip ir lieka ant horizonto?

JF: Kaip sakė 't Hooftas ir Susskindas, iš tiesų nutinka abu įvykiai. Tai vadinama juodosios bedugnės komplimentarumumu – informacija tuo pat metu atspindima nuo juodosios bedugnės ir sklandžiai įkrenta per horizontą.

BC: Tai du visiškai legitymūs požiūriai į tą patį dalyką. Šiuolaikiniai skaičiavimai rodo, kad toks vaizdas iš esmės yra teisingas. Abu požiūriai legitymūs. Iš karto kyla realybės supratimo iššūkis. Kaip kam nors gali nutikti du skirtingi dalykai?

— Tai kas iš tiesų nutinka informacijai, ir ką tai byloja apie realybę?

JF: Pirmiausia gali kilti mintis, kad informacija horizonte kopijuojama, tad yra dvi versijos. Bet vėl gi, kvantinėje mechanikoje tai neleidžiama. Tai pastūmėjo 't Hooftą ir Susskindą link holografijos idėjos. Jie iškėlė prielaidą, kad informacija bet kurioje erdvės vietoje yra užkoduota šio regiono paviršiuje. To pagrindas yra kvantinis susietumas, labai neintuityvus ryšys, kurį galima sukurti tarp dviejų ar daugiau dalelių. Išpjovus gabalėlį erdvės, susietumo su likusia visata pakanka užkoduoti viską, kas vyksta tame regione.

Vėliau, Juan Maldacena iš Pažangių tyrimų instituto Princetone atrado, kad kvantinio lauko teorija, aprašanti subatominių dalelių judėjimą, konkretų erdvėlaikio regioną visiškai ekvivalenčiai apibrėžia ant to regiono paviršiaus. Galima tai suprasti kaip kamuolio paviršių, kuriame užkoduotas vidaus bendrasis reliatyvumas. Pagal vieną apibūdinimą, vidinės erdvės nėra iš viso, tik paviršius. Tai yra ir aiškus 't Hoofto ir Susskindo iškeltos komplimentarumo idėjos demonstravimas. Čia vidinė erdvė koduojama ant paviršiaus, panašiai, kaip informacija juodojoje bedugnėje koduojama ant jos įvykių horizonto.

— Visa tai rodytų, kad erdvėlaikis yra emergentinis, bet būtent iš ko jis randasi ir kaip?

JF: Per pastarąjį dešimtmetį tapo aišku, kad esminė savybė yra susietumas. Įsivaizduokite kamuolio paviršių kaip aibę susietų dalelių. Ir kiekvieną susietumo ryšį įsivaizduokite kaip mažą kvantinę kirmgraužą. Susietumas atitinka kirmgraužas – daugelio dalelių susietumą galima laikyti kirmgraužų tinklu, pinančiu erdvėlaikio audinį.

BC: Atrandame gilesnes struktūras, kuriose nėra laiko ar erdvės. Gali kilti klausimas: „O tai kuris tada yra tikras aprašymas? Tai, kas yra ant ribojančio paviršiaus, ar erdvė viduje?“ Kiek žinau, niekas dėl to diskutuoja. Tai yra ekvivalentūs fizikos aprašai.

Kas mes tokie, kad galėtume sakyti, kuris vaizdas gilesnis? Kyla pagunda taip sakyti, nes iš tiesų, kai vertinama pilnos dujų talpos temperatūra, tuomet iš tiesų galima sakyti, kad ji randasi iš atomų savybių aprašo. Manau, būtų teisinga sakyti, kad dujų talpos temperatūra, slėgis ir entropija – netvarkos matas – turi gilesnį, jo dalių judėjimo aprašymą. Klausimas greitai tampa filosofiniu. Bet superšaunu, kaip visa tai stipriai susiję su visiškai kita sritimi, kvantiniu skaičiavimu.

— Ir kaip tai susiję su kvantiniu skaičiavimu?

BC: Kvantiniai kompiuteriai sudaryti iš kubitų, kurie gali būti ne tik nulio ar vieneto būsenos, bet ir šių dviejų būsenų mišinys. Dabar vienas iš didžiausių kvantinių skaičiavimų iššūkių yra informacijos fizinis išsaugojimas, nes kubitai yra labai delikatūs. Tai galima atlikti, sukūrus tarpusavyje susietų kubitų tinklą, kuris būtų atsparus kubitų trapių kvantinių būsenų pažeidimui.

JF: Šis kubitų tinklas yra kvantinis klaidų taisymo kodas. Dabar aiškėja, kad erdvės struktūra labai panaši – kaip gigantiško kvantinio kompiuterio. Paėmus erdvės dalį, susietumo tarp šio regiono ir likusios visatos užtenka užkoduoti to regiono vidų. Ir panašu, tai pasakytina apie bet kur esančią kiekvieną erdvės dalį. Galima sunaikinti ant ribos esančius kubitus, o viduje esanti informacija lieka nesunaikinta. Tai išties protingas būdas patikimai koduoti informaciją, ir panašu, gamta jį ir pasirinko.

— Ką tai reiškia mūsų pažįstamai realybei?

JF: Įsivaizduojame save lokaliais. Patiriame pasaulį, kuriame lokalūs objektai veikia tarpusavyje lokaliai. Bet panašu, yra ekvivalentus apibūdinimas, kuris yra itin nelokalus. Ir tai jau griauna savęs suvokimą, teisingai?

Erdvė nėra fundamentali, ji emergentinė. Iš tiesų egzistuoja tik informacija. Erdvė ir laikas randasi iš susietų kvantinių vienetų, tarp kurių yra loginiai santykiai. Šie vienetai, – dar nesame tikri, kas jie, – gali būti kubitai ar dar kažkas, tačiau jie tarpusavyje sąveikauja kvantinės mechanikos mechanizmais. Ir to rezultatas yra mūsų gyvenama visata.

BC: Iš tiesų sakome, kad erdvė ir laikas randasi iš kažko gilesnio, kas yra absoliučiai fundamentalu.