Краткие ответы на большие вопросы

Предположим, гравитации не существует, а пространство-время абсолютно плоское. Это можно сравнить с совершенно безжизненной пустыней. Такое место обладает двумя типами симметрии. Первый называется трансляционной симметрией. Если перемещаться в такой пустыне от одной точки к другой, то вы не заметите никаких изменений. Второй тип — вращательная симметрия. Если встать в какой-то точке пустыни и начать поворачиваться, вы тоже не заметите никаких различий в том, что открывается перед глазами. Такие симметрии также встречаются в «плоском» пространстве-времени, в пространстве-времени, которое существует при отсутствии материи.

Но если что-то поместить в эту пустыню, симметрия будет нарушена. Допустим, в пустыне появились гора, оазис и несколько кактусов: в таком случае в разных точках и различных направлениях она будет выглядеть иначе. Это справедливо и в отношении пространства-времени. Если в пространстве-времени размещены объекты, то и трансляционная, и вращательная симметрии будут нарушены. Введение объектов в пространство-время и создаёт гравитацию. Чёрная дыра — это область пространства-времени с сильной гравитацией; пространство-время в ней сильно искажено, и можно ожидать, что симметрия там нарушена. Однако при удалении от чёрной дыры искривление пространства-времени становится всё более слабым. Очень далеко от чёрной дыры пространство-время выглядит как совершенно плоское.

В далёкие 1960-е годы Г. Бонди, A. Метцнер, M. ван дер Бург и Р. Сакс сделали поистине удивительное открытие: пространство-время на большом удалении от материи обладает бесконечным набором симметрий, которые назвали супертрансляционными. Каждая из таких симметрий связана с сохраняющимися величинами, которые называются супертрансляционными зарядами. Сохраняющаяся величина — это величина, которая не изменяется в процессе эволюции системы. Это обобщения более знакомых сохраняющихся величин. Например, если пространство-время не изменяется во времени, тогда сохраняется энергия. Если пространство-время выглядит одинаково в различных точках пространства, тогда сохраняется импульс. Примечательным в открытии супертрансляций является то, что на большом расстоянии от чёрной дыры существует бесконечное количество сохраняющихся величин. Именно эти законы сохранения дают необычное и неожиданное представление о процессах в гравитационной физике.

В 2016 году я вместе со своими соавторами Малкольмом Перри и Эндрю Строминджером пытался применить эти новые результаты с имеющими к ним отношение связанными величинами для разрешения информационного парадокса. Мы знаем, что чёрная дыра обладает тремя явными параметрами: массой, зарядом и параметром вращения. Это классические заряды, о которых давно известно. Однако чёрная дыра содержит ещё и супертрансляционный заряд. Возможно, чёрные дыры представляют собой нечто большее, чем мы думаем. На самом деле они не лысые и не с тремя волосками, а обладают большим количеством супертрансляционных волос.

Эти супертрансляционные волоски могут содержать закодированную информацию о том, что находится внутри чёрной дыры. Вероятно, супертрансляционные заряды содержат не всю информацию, но остальную можно получить благодаря дополнительным сохраняющимся величинам, суперротационным зарядам, ассоциированным с некими дополнительными связанными симметриями — суперротациями, о которых пока мало что известно. Если это верно и всю информацию о чёрной дыре можно понять в показателях её «волос», то, возможно, потери информации и не происходит. Эта идея недавно получила подтверждение в новейших исследованиях. Строминджер, Перри, я и аспирантка Саша Хако выяснили, что эти суперротационные заряды могут отвечать за всю энтропию любой чёрной дыры. Квантовая механика остаётся в силе, и информация хранится на горизонте, на поверхности чёрной дыры.

Известными характеристиками чёрной дыры по-прежнему остаются её общая масса, электрический заряд и вращение снаружи горизонта событий, но сам горизонт событий содержит информацию, дополняющую эти три характеристики, необходимую для того, чтобы понять, что упало в чёрную дыру. Процесс познания продолжается, но информационный парадокс остаётся неразрешимым. Впрочем, я оптимист и надеюсь, что мы движемся в правильном направлении. Следите за новостями.

Чем грозит космическому путешественнику падение в чёрную дыру?

Большими неприятностями. Если это дыра звёздной массы, он превратится в спагетти, даже не достигнув горизонта. Если это сверхмассивная чёрная дыра, он без проблем пройдёт сквозь горизонт, но в сингулярности будет выдавлен из бытия.

6 Возможно ли путешествие во времени?

В научной фантастике искривление пространства и времени — обычное дело. Его используют для быстрого перемещения по Галактике или для путешествий во времени, но научная фантастика сегодняшнего дня зачастую становится научным фактом дня завтрашнего. Так каковы шансы путешествий во времени?