Квантовые вычисления со времен Демокрита - Скотт Ааронсон

зрения любого наблюдателя унитарность сохраняется. Забавно, что есть какие-то мелочи, которые, кажется, могли бы вызвать конфликт с квантовой механикой или привести к более мощной модели вычисления, но стоит к ним как следует приглядеться, и так казаться перестает.

С тех пор, как я впервые написал эту главу в 2006 г., события на фронте черных дыр развивались активно и очень интересно. Помимо прочего, появились новые аргументы, согласно которым давно сложившиеся представления о том, что наблюдатель, падающий в черную дыру, при прохождении горизонта событий «не увидит ничего особенного» и заметит безумные квантово-гравитационные эффекты лишь за доли секунды до аннигиляции в сингулярности, может оказаться ошибочным. Напротив, теория квантовой гравитации вполне может понадобиться даже для предсказания того, что такой наблюдатель увидит непосредственно на горизонте событий!

Первое указание на это пришло из работы специалиста по теории струн Самира Матхура вместе с образом черной дыры, получившим прозвище «пушистого клубка»[189]. На такую гипотезу Матхура подвигло проистекающее из теории струн «соответствие AdS/CFT[190]», которое определяет некоторые квантовые теории гравитации для D пространственных измерений так: сначала строятся обычные квантовые теории поля для D — 1 пространственных измерений, а затем говорится, что D-мерная квантовая гравитация — это всего лишь «дуальное описание» квантовой теории поля для пространства меньшей размерности. Если соответствие AdS/CFT верно, то, по крайней мере в теории струн черные дыры должны описываться средствами совершенно обычной, унитарной, обратимой квантовой механики, из чего затем следует, что попадающие в черную дыру биты информации должны каким-то образом выходить оттуда в виде излучения Хокинга. Проблема в том, что этот абстрактный аргумент не поясняет, как именно эти биты выбираются наружу или хотя бы как это в принципе возможно, при том что полуклассический расчет Хокинга свидетельствует об обратном. Так что Матхур решил просчитать, что происходит в некоторых «модельных сценариях» теории струн, которые учитывают хотя бы некоторые аспекты физических черных дыр. Обнаружил он — или утверждает, что обнаружил, — что «область квантово-гравитационных странностей» не остается крохотной (планковского размера) штучкой в сингулярности, но вместо этого увеличивается в размерах до тех пор, пока не превратится в сложный «пушистый клубок», заполняющий всю область в пределах горизонта событий. Так что в этой картине причина, по которой биты информации могут выйти наружу в виде излучения Хокинга, по существу, та же, по которой биты, описывающие кусок угля, могут выйти наружу при сжигании этого угля, а именно потому, что эти биты имеются на поверхности!

Матхур, однако, не говорил явно, что большой наблюдатель, падающий в черную дыру, увидит на горизонте событий что-то особенное, более того, он предполагал, что существует «приблизительное дуальное описание», верное для реалистичных по размеру наблюдателей, согласно которому эти наблюдатели проследуют сквозь горизонт событий до самой сингулярности, в точности так, как предсказывает классическая общая теория относительности. Это описание будет верным, несмотря на тот факт, что в определенном смысле «настоящая физика» происходит на поверхности этого пушистого клубка, в месте, которое мы привыкли называть горизонтом событий.

Не так давно, однако, появились доводы[191] в пользу того, что наблюдатель все же встретит нечто особенное на горизонте событий: что на самом деле он просто наткнется там на «файервол» в первоначальном смысле слова, то есть на огненную стену, и сгорит задолго до того, как хотя бы приблизится к сингулярности! Или, по крайней мере, даже если ничего такого не случается в «молодых» черных дырах, то непременно случится в «старых», тех, которые уже излучили по крайней мере половину своих битов в виде хокинговского излучения. Я не смогу воспроизвести обоснование этого предсказания во всех подробностях, но основано оно на модифицированной версии парадокса Хокинга, связанного с исчезновением информации в черной дыре. В момент подготовки американского издания этой книги (январь 2013 г.) специалисты, кажется, находились в сомнениях по поводу «файервола», и даже некоторые эксперты меняли свое мнение чуть ли не каждый месяц.

Чем бы ни закончилось разбирательство, я лично, признаюсь, почувствовал облегчение от такого развития событий, поскольку они очень созвучны невнятному ощущению, возникшему у меня после знакомства с проблемой исчезновения информации в черной дыре, а именно что на горизонте событий должно происходить что-то «физически особенное», несмотря на то, что классическая общая теория относительности утверждает обратное.

Я имею в виду вот что. Рассмотрим ситуацию с точки зрения наблюдателя Алисы, находящейся вне черной дыры и наблюдающей за происходящим в то время, как ее полоумный приятель Боб прыгает в черную дыру. Хорошо известно, что, поскольку по мере приближения к горизонту событий свету требуется все больше и больше времени на уход от черной дыры, Алиса на самом деле никогда не увидит, как Боб исчезает за горизонтом событий. Вместо этого Алисе будет казаться, что Боб все ближе и ближе подлетает к горизонту, но так за него и не уходит. По современным представлениям, квантовая информация, соответствующая Бобу, на самом деле «размажется» тонким слоем по всему горизонту событий с невероятной скоростью. Затем Алиса, если подождет лет примерно 1070, увидит, как горизонт событий, по которому размазало ее приятеля, медленно испаряется туманом хокинговского излучения — туманом, информационное содержание которого пропорционально площади горизонта событий в планковских единицах. Опять же по современным представлениям, если Алиса достаточно тщательно соберет и сложит вместе все кусочки хокинговского излучения, то она сможет, в принципе, восстановить те самые «кубиты Боба», которые упали в дыру. Теперь, учитывая все это, я спрашиваю вас: правдоподобно ли описание горизонта событий как совершенно обычного места без всяких странных квантово-гравитационных эффектов и можно ли говорить, что вся новая физика должна быть сосредоточена в крохотной сингулярности? Я говорю: нет, и физики, кажется, все больше склоняются к тому же мнению!

Но даже если мы согласимся с этим, остается вопрос о том, возможна ли «комплементарная» точка зрения, а именно точка зрения Боба, согласно которой он проходит горизонт событий без происшествий и живет еще, может быть, несколько часов (в случае сверхмассивной черной дыры, подобной той, что находится в центре нашей Галактики), пока не погибнет страшной смертью в сингулярности. Может, такая точка зрения возможна, может, нет, а может, возможна только в приблизительном варианте. Забавно, но не очевидно даже, относится ли вопрос о том, что «испытывает» Боб после прохождения горизонта событий, к компетенции науки! Ведь что бы ни испытывал Боб, даже если ничего, он никак не сможет сообщить об этом тем, кто остался вне черной дыры. Правда, информация о нем со временем выйдет наружу в виде тонких корреляций между фотонами