Кротовые дыры и огненная стена

Кротовые норы — гипотетические туннели в пространстве-времени, соединяющие чёрные дыры, — предположительно, могут быть последствиями квантовой запутанности, когда квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. 

Теоретически путешествие между двумя точками, соединёнными кротовой норой, не имеет длительности, даже если одна точка находится на Земле, а другая — в Туманности Андромеды. Однако современные представления подвергают эти норы так называемой топологической цензуре, делающей их непроходимыми в нормальных условиях. 

 
В варианте Малдасены — Зюскинда кротовая дыра может формироваться не только между чёрными дырами, но и между каждым фотоном хокинговского излучения ЧД и самой чёрной дырой. (Здесь и ниже иллюстрации New Scientist, Quantum Frontiers.) 

Суть «цензуры»: из эйнштейновских уравнений гравитационного поля следует, что если энергия, учитываемая в процессе, не является отрицательной (а мы с таковой пока не знакомы), то вход в кротовую дыру должен всё время отодвигаться от вас или бесконечно удлиняться. Так что, хотя путешествие чрез кротовину не требует времени, попадание в неё может длиться неограниченно долго. 

Как вы помните, в прошлом году был представлен так называемый парадокс огненной стены на входе в чёрную дыру. Суть его в том, что фотоны, испускаемые ЧД посредством излучения Хокинга, должны быть квантово запутаны с внутренностями ЧД, а также друг с другом, что создаёт проблемы: одна частица, согласно квантовой механике, не может быть одновременно «сцепленной» с двумя другими объектами в равной мере. Более того, чем сильнее частица Алиса запутана с частицей по имени Боб, тем в меньшей степени она способна быть спутанной с частицей Кэрри (условной третьей частицей), что часто в шутку называют квантовой моногамией. 

Чтобы избежать такого парадоксального явления, как запутанность более чем с одним объектом, было выдвинуто предположение, что на границе ЧД сцепленность фотона и внутренностей дыры должна нарушаться, и, таким образом, на входе в ЧД появляется «стена», в прямом смысле уничтожающая падающие в неё объекты. Следовательно, никаких «внутренностей» у ЧД нет — по крайней мере организованных и способных содержать какую-то информацию. (Иначе говоря, сразу за горизонтом событий действительно находится огненная стена, а не, извините, «противопожарная перегородка».) 

Решений этому парадоксу за прошедший год предложено множество, но чаще всего они вводят ещё больше не слишком подтверждённых сущностей, нежели сам парадокс. 

И вот два небезызвестных физика, Хуан Малдасена (Juan Maldacena) из Института сложных исследований в Принстоне и Леонард Зюскинд (Leonard Susskind), представляющий Стэнфордский университет, предложили ещё одно решение парадокса. Основываясь на работах 2009 и 2010 гг., предполагающих, что кротовые норы могут быть проявлением квантовой запутанности, они развили эту мысль и теперь сообщают нам, что из неё вытекает. 

Сперва физики показали, что кротовые норы между двумя ЧД, обычно выводимые из общей теории относительности, одновременно неизбежны и в квантовой механике.

Если мы предположим, что между парой чёрных дыр существует квантовая запутанность, в этом случае кротовая нора будет просто её физическим выражением. 

Затем исследователи предположили, что между ЧД и буквально каждым (!) фотоном, её покидающим, есть кротовая нора — туннель, соединяющий две точки так, как если бы между ними вообще не было расстояния. 

Согласно парадоксу огненной стены, Алиса, находящаяся по одну сторону горизонта событий ЧД (нашу), может воспринять условный кубит C (квантовый бит информации), испущенный ЧД в далёком прошлом, и передать его обратно, пользуясь кубитом B, извлечённым из такого же хокинговского излучения, но излучённого ЧД недавно. Падая в чёрную дыру, Алиса не сможет наблюдать спокойного вакуумного состояния, в котором А и B подвержены квантовому запутыванию. Вместо этого она столкнётся с высокоэнергетичной частицей, которая должна будет её уничтожить. До этого момента Малдасена и Зюскинд согласны с решаемым ими парадоксом. 

Далее парадокс делает предположение, что действия Алисы за горизонтом событий, до того как она вошла в ЧД, не могут создать эту энергичную частицу, следовательно, эта частица существовала там в постоянном режиме и была не одна, а во множестве, угрожая уничтожением любой входящей частице, а не только Алисе с её квантовым хакерством. Значит, делают вывод авторы парадокса, на входе в ЧД есть огненная стена. 

А вот и нет, говорят Малдасена и Зюскинд. На самом деле огненная стена, присутствующая там в качестве «возмездия» за операции с кубитами, происходящими из чёрной дыры, ждёт только Алису. Приложение к ней энергии на входе в ЧД было создано самой Алисой, когда она начала взаимодействовать с кубитом С, найденным ею среди излучения из ЧД. Здесь возникает вопрос: как действия Алисы за пределами непреодолимого горизонта событий могли привести к возникновению какой-то частицы внутри горизонта событий? 

Как отмечают Малдасена и Зюскинд, это очень просто: кубиты А и С всё равно были связаны изначально кротовой дырой. 

 
Поскольку такие кротовые норы создают иную запутанность, нежели существует между самими фотонами, то «квантовая моногамия» не нарушается, и необходимости в создании огненной стены теоретически не возникает. Зато их наличие играет роль передатчика, ориентирующего внутреннюю часть ЧД на уничтожение столь неприятных носителей парадоксов, как Алиса, но процесс их уничтожения всякий раз сугубо индивидуален и не означает постоянного наличия у входа в ЧД перманентных стен из частиц высоких энергий. 

Следовательно, в основной массе случаев возникновение огненных стен исключено. 

Рано говорить об окончательности такого решения. Тем более что, как мы видим, огненная стена в нём исключена не на 100%: у этого сценария есть интересные логические ответвления... И всё же кажется, что на сегодня это самая серьезная попытка теоретической критики парадокса огненной стены... 

Препринту рассмотренного исследования можно поудивляться здесь. 

Подготовлено по материалам NewScientist, Quantum Frontiers и других источников.