Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Через тридцать лет после того как Стивен Хокинг предсказал конец физики, а затем обрушил на ничего не подозревающий мир парадокс, связанный с исчезновением информации в черных дырах, квантовая теория гравитации так и не появилась, не говоря уже о единой теории фундаментальных взаимодействий. Но несмотря на раздоры при поиске квантовой гравитации, общность взглядов тоже присутствует. Возник новый и практически общепринятый взгляд на природу пространства-времени. Сторонники всех подходов, от теории струн и петлевой квантовой гравитации до более узконаправленных идей квантования общей теории относительности, отказываются от пространства-времени как от фундаментальной сущности. Возможно, это понимание можно напрямую связать с открытым Хокингом излучением черных дыр и оно поможет решить проблему исчезновения информации в черных дырах заодно с проблемой утраченной физикой возможности прогнозирования. Для устранения парадокса Хокинга нужно первым делом понять, каким образом черные дыры хранят поглощенную ими информацию и в каком виде они могут отдавать ее в окружающий мир. Но для этого уже недостаточно построенной на общей теории относительности наивной модели, ограничивающейся только горизонтом событий. Как ни странно, пролить свет на этот вопрос в какой-то степени могут петлевая квантовая гравитация и теория струн совместно с менее распространенными и менее известными подходами к квантовой гравитации.

В петлевой квантовой гравитации пространство-время дробится на мелкие части, причем существует некий минимальный размер, после которого уже не имеет смысла говорить о таких понятиях, как площадь и объем. Ли Смолин, Карло Ровелли и Кирилл Краснов из Ноттингемского университета показали, что эта теория позволяет разделить площадь черной дыры на микроскопические фрагменты, каждый из которых хранит бит информации как экран с цифровыми данными. Энтузиасты петлевой квантовой гравитации утверждают, что сложение этих фрагментов дает корректное значение энтропии черной дыры.

Приверженцы теории струн смотрят на вещи немного под другим углом. Эндрю Строминджер и Камра Вафа из Гарварда показали, что текущее воплощение теории струн — М-теория — также позволяет вывести точное соотношение между энтропией, информацией и площадью черной дыры. Для конкретного типа черной дыры они смогли показать, как объединение определенных типов бран дает возможность сохранить нужное количество информации. Враны предоставляют черной дыре микроструктуру, точно подходящую для разрешения парадокса Хокинга. В более общем виде они считают, что черная дыра представляет собой бурлящую смесь струн и бран, напоминающую запутанный клубок, концы и края которого бьются о горизонт. И эти биты бран и струн, отскакивающие от горизонта событий, могут использоваться для восстановления всей хранящейся в черной дыре информации. И снова сложением цифр получается корректное значение энтропии.

Создается впечатление, что при всем своем отличии и петлевая квантовая гравитация, и теория струн находятся на верном пути к разрешению информационного парадокса. Потому что если горизонт событий и в самом деле хранит информацию, именно она может являться топливом для испускаемого черной дырой излучения Хокинга, которое выводит информацию в окружающий мир по мере того, как сама дыра медленно испаряется. Тогда к завершению этого процесса вся изначально поглощенная информация возвращается и речи о ее потере больше нет.

Приверженцы теории струн весьма смело и настойчиво утверждают, что обнаружили связанное с излучением Хокинга еще более глубокое свойство физических теорий. Черные дыры кажутся странными, так как количество сохраняемой ими информации, хотя и связано с энтропией, является функцией не объема, как наивно можно было бы ожидать, а площади поверхности — впрочем, это еще в середине 1970-х утверждали Бекенштейн и Хокинг. Но в более общем виде это означает, что максимальное количество информации, которое можно сохранить в произвольном объеме пространства, всегда ограниченно. Чтобы найти это максимальное количество, следует взять гипотетическую черную дыру, занимающую в пространстве определенный объем, и посчитать, сколько информации в состоянии сохранить ее поверхность. Таким образом, вместо описания физики фрагмента пространства достаточно определить, что происходит на окружающей это пространство поверхности, — примерно как двумерная голограмма может содержать все данные о трехмерной сцене. Но если подобное верно для фрагмента пространства, оно должно быть верным везде, в том числе для Вселенной как целого. В подобной голографической Вселенной поведение пространства-времени в отдельных точках становится уже неважным.