Парадокс огненной стены закрыт

Вы уже знаете это: Стивен Хокинг посчитал лучшим решением парадокса «огненной стены» предположение о том, что у чёрной дыры (ЧД) нет настоящего горизонта событий и налицо лишь кажущийся горизонт, который не является — в отличие от традиционной ЧД — вечным.

Что ж, в январе с. г. решение проблемы огненной стены было предложено не только им. Работа Сабины Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) из Северного института теоретической физики (Швеция) утверждает, что такого парадокса нет, а потому модификации классических представлений о ЧД до некоторой степени не вполне оправданны.

Чтобы полностью понять настоящее, часто надо вернуться в прошлое, и глубины первого и второго действия иногда прямо пропорциональны: на сей раз в прошлое придётся отправиться хотя бы лет на сорок.

Когда идея горизонта событий замаячила над головами учёных, стали возникать неприятные вопросы. Вот, например: горизонт событий (классический) пресекается только в одном направлении, но это, кажется, противоречит термодинамике! При стремлении температуры к абсолютному нулю энтропия тел системы тоже стремится к нулю — следовательно, абсолютного нуля нельзя достичь ни в каком конечном процессе, связанном с изменением энтропии: вы будете бесконечно приближаться к нему по асимптоте, и только, по типу Ахиллеса, догоняющего черепаху.

Но если абсолютный нуль недостижим — значит, все тела должны хоть что-то да излучать, как-то отдавать хоть чуть-чуть тепла. Однако горизонт событий вроде бы ничему излучаться не даёт, ведь его даже свет не может преодолеть. Тогда — ровно сорок лет тому назад — Стивен Хокинг выдвинул идею так называемого излучения Хокинга. Чтобы ЧД «начала» излучать, учёный использовал квантовую механику: поскольку мы не можем знать точную энергию объекта в любой момент, она может серьёзно колебаться, хотя среднее её значение при этом будет неизменным. Поэтому около горизонта событий, рассуждал физик в ту пору, может появляться пара частиц («из ничего»), и одна частица из пары будет поймана внутри горизонта (на каплю уменьшая массу ЧД), в то время как другая покинет ЧД как излучение, унося с собой каплю её энергии.

Решение было элегантным, но тогда ещё никто не знал, что через 38 лет из излучения Хокинга, помирившего термодинамику и ЧД, родится другая сущность — парадокс «огненной стены». Дело в том, что пара частиц, рождённых, так сказать, вышеупомянутым квантовомеханическим путём, появлялась «из ничего», будучи квантово запутанной, — а значит, убегание одной частицы и удержание другой такую запутанность разрушает.
Квантовомеханически говоря, частицы рождаются в чистом (не смешанном) состоянии, а горизонт событий это чистое состояние разрушает.

Квантовая запутанность частиц, появляющихся у горизонта чёрной дыры, создаёт парадокс «огненной стены» — но только если запутанность между ними не исчезнет. (Здесь и ниже иллюстрации JPL / NASA.)

Нотки печали особенно усиливаются потому, что если весь этот процесс появления излучения Хокинга действительно повествует о частицах в чистом квантовом состоянии, то ЧД, во-первых, не может излучать без издевательства над термодинамикой, а во-вторых, если и может, то тогда за поверхностью горизонта событий должны образоваться потоки частиц чрезвычайно высоких энергий, разрушающие любое попадающее внутрь тело. Как мы уже много раз говорили, во втором варианте на заклание вместо термодинамики надо отдать либо общую теорию относительности, либо квантовую механику, хотя это неприятно и противоречит очевидным успехам этих направлений в последние десятилетия.

Спохватившийся Стивен Хокинг решил загнать джинна излучения имени себя обратно в бутылку, предположив, что огненной стены нет, потому что горизонт событий не ловит ничто навечно, а потому и особой нужды в нагнетании обстановки с излучением нет.

А вот Сабина Хоссенфельдер показывает нам, что излучение Хокинга вполне может рождаться и не в чистом состоянии. Такое излучение, считает исследовательница, образуется не благодаря появлению пар квантово запутанных частиц, а благодаря появлению... двух пар запутанных частиц. Внешне различий нет: излучение Хокинга для стороннего наблюдателя будет в любом случае (что удержит на плаву термодинамику). Но — и это ключевой момент — вместо чистого состоянии у частиц, которым излучение обязано своим существованием, будет смешанное, то есть такое, в котором не задан полный набор независимых физических величин, определяющих состояние системы, а есть лишь вероятности нахождения системы в различных квантовых состояниях. Раз чистое квантовое состояние не возникает, то его нельзя и разрушить, а именно из его гипотетического разрушения и вытекает огненностенный парадокс.

Каково состояние квантово сцепленных частиц — чистое или смешанное?

Как далее показывает г-жа Хоссенфельдер, между частицами излучения Хокинга, испущенного, скажем, 200 млн лет назад, и сегодня никакой запутанности нет, что подрывает возможность того, что частицы излучения являют собой случай чистого квантового состояния. При отсутствии квантовой запутанности противоречия между классическим и квантовым описаниями событий у горизонта ЧД сглаживаются, а огненная стена исчезает (подробности о роли запутанности в строительстве стены см. здесь). Итак, все довольны: три потенциально ущербные группы физических теорий целы, традиционные чёрные дыры — тоже. Хокинговское излучение не находится в чистом квантовом состоянии, огненной стены нет, парадоксов нет. Но что же с самим Стивеном Хокингом и нанесённым им скоропалительным ударом по горизонту событий, который он «переделал» из вечного в кажущийся, видимый, со временем обречённый на исчезновение?

Надо сказать, что существует множество других моментов, которые давят на физиков, заставляя их дрейфовать в сторону идеи о невечном, кажущемся характере горизонта событий чёрных дыр. Поэтому Сабина Хоссенфельдер и замечает, что является сторонником подобных идей — но её тезис о кажущемся характере горизонта событий ЧД был выдвинут четыре года назад (в соавторстве с Ли Смолиным). Поэтому она заявляет: «"Работа" Хокинга в действительности — лишь запись его выступления прошлого года, резюме его мыслей по поводу огненной стены чёрных дыр. И ни одну из этих мыслей я не нахожу ни замечательной, ни выдающейся. Будь его работа выложена кем-то другим, её никто не заметил бы».

В общем, ничего нового г-н Хокинг не сказал, считает г-жа Хоссенфельдер. А вот мы не были бы столь категоричны: резкость её реакции во многом обусловлена не столько тем, что в работе Стивена Хокинга «нет ничего нового» (на arXiv постоянно выкладываются чисто обзорные работы, да и г-н Хокинг не претендует здесь на особую новизну), сколько тем, что его тезисы получили мощное освещение в СМИ, в то время как опубликованная в январе работа самой Сабины прессой не замечена вовсе. Впрочем, так бывает: мало кто из учёных способен популярно изложить свои результаты, и мало кто из «неучёных» (включая даже физика из другой области) может быстро понять эти результаты самостоятельно, и всё это вряд ли вина одной лишь «раскрученности» Стивена Хокинга.

Отвлекаясь от понятной с эмоциональной точки зрения оценки «ни одну из этих мыслей я не нахожу ни замечательной, ни выдающейся», резюмируем: парадокс «огненной стены» действительно решён без уничтожения горизонта событий, но его переделки в «кажущийся» всё равно следует ожидать даже вне связи с этим конкретным парадоксом. Вот только проверить истинную природу горизонта при современном уровне наших возможностей пока нельзя: ЧД далеко, а жизнь человеческая коротка, поэтому без дальнейшего продвижения в физике чёрных дыр ни подтвердить, ни опровергнуть «вечность» горизонта событий не получится...

Хотя огненная стена падающему в чёрную дыру не грозит, угрозы спагеттификации с летальным исходом тоже никто не отменял.

Александр Березин
Подготовлено по материалам различных источников.