Могут ли пространство и время быть результатом работы космического алгоритма исправления ошибок? В рамках World Science Festival физик-теоретик из Массачусетского технологического института (MIT) Дэниел Харлоу и профессор Брайан Грин обсуждают, как парадоксы черных дыр привели ученых к радикальному выводу: ткань реальности — это эмерджентное свойство, порожденное квантовой запутанностью и механизмами, удивительно похожими на те, что используются в современных квантовых компьютерах.
🕳️ Наследие Хокинга и информационный парадокс 3:07
История современного понимания пространства-времени началась не с квантов, а с уравнений общей теории относительности Эйнштейна, которые Карл Шварцшильд впервые решил для объекта, ныне называемого черной дырой. Однако до 1970-х годов черные дыры рассматривались исключительно как классические объекты. Революция произошла, когда Стивен Хокинг и Джейкоб Бекенштейн начали внедрять в эту область квантовую механику .
Согласно квантовой механике, законы физики обратимы: если вы знаете состояние Вселенной сегодня, вы можете математически вычислить, каким оно было вчера (принцип унитарности). Но черные дыры, казалось, нарушали это правило. Классически всё, что падает в черную дыру, исчезает навсегда, оставляя лишь массу, заряд и угловой момент .
Хокинг обнаружил, что из-за квантовых флуктуаций полей вблизи горизонта событий черные дыры должны излучать энергию (излучение Хокинга) и со временем испаряться . По словам Дэниела Харлоу, статья Хокинга об этом — «одна из самых любимых работ всех времен», сравнимая по значимости с симфонией Бетховена . Проблема заключалась в следующем:
- Излучение Хокинга кажется чисто тепловым и не несет информации о том, что упало внутрь (дневник, частицы или свет) .
- Когда черная дыра полностью испаряется, информация о её содержимом, по расчетам Хокинга, исчезает из Вселенной.
- Это означало бы крах предсказуемости в науке. Сам Хокинг в своей работе 1970-х годов под тревожным заголовком «Распад предсказуемости при гравитационном коллапсе» полагал, что квантовая механика может потребовать пересмотра .
📜 Голографический принцип: мир на границе 27:38
Следующий этап связан с именами Герарда ’т Хоофта и Леонарда Сасскинда. Они опирались на идею Бекенштейна о том, что энтропия (количество информации) черной дыры пропорциональна не её объему, а площади её поверхности (горизонта событий) .
Для обычных систем, таких как газ в духовке, энтропия растет вместе с объемом. Если вы увеличите духовку вдвое, количество микросостояний удвоится. Но у черных дыр всё иначе. Для черной дыры в центре нашей Галактики (стрелец А*) энтропия составляет чудовищные $10^{90}$ или $10^{95}$ единиц . Тем не менее, тот факт, что информация ограничена площадью, натолкнул ученых на мысль о голографии.
Суть голографического принципа, по мнению Сасскинда и Харлоу:
- Фундаментальные степени свободы гравитационной системы на самом деле живут на её границе .
- Трехмерное пространство внутри (баллон) — это лишь «эффективное описание» или удобная фикция, подобно тому как звук (фононы) в твердом теле является эмерджентным свойством движения атомов, а не фундаментальной частицей .
- Пространство-время «соткано» из квантовых корреляций на этой границе.
🥫 Модель «Супа в консервной банке»: ADS/CFT 52:25
В конце 1990-х годов Хуан Малдасена предложил конкретную математическую реализацию этой идеи — соответствие ADS/CFT. Он использовал пространство Анти-де Ситтера (ADS) — гипотетическую Вселенную с отрицательной космологической постоянной, которая ведет себя как «консервная банка с супом» .
- «Суп» (ADS): Внутренняя часть, где действует гравитация, есть черные дыры и три измерения пространства.
- «Жестяная банка» (CFT): Граница, на которой живет квантовая теория поля без гравитации.
Харлоу подчеркивает, что в этой модели любая активность в «супе» имеет эквивалентное описание на «банке» . Это радикально нелокальная картина: то, что нам кажется точкой в центре пространства, на самом деле «размазано» по всей границе Вселенной. Это дает ключ к решению парадокса Хокинга — информация не теряется, она закодирована на границе, просто очень сложным способом.
🤖 Квантовая коррекция ошибок как ткань реальности 1:05:22
Главный вклад Дэниела Харлоу в последние 12 лет — это осознание того, что связь между границей и внутренним пространством работает в точности как квантовый код исправления ошибок .
В квантовых компьютерах информация очень хрупка. Чтобы защитить её от шума (декогеренции), физики используют избыточность: один «логический кубит» данных распределяется (запутывается) между множеством «физических кубитов» . Если один физический кубит потеряется или испортится, информацию всё равно можно восстановить по остальным.
Харлоу утверждает, что:
- Степени свободы внутри пространства-времени — это «логические кубиты».
- Степени свободы на границе (в фундаментальной теории) — это «физические кубиты».
- Локальность пространства (то, что события здесь не влияют мгновенно на события там) — это лишь следствие того, что код исправления ошибок «прячет» нелокальность от нас .
По словам ученого, мы не видим нарушений локальности в повседневной жизни (например, на БАКе), потому что для этого потребовалось бы провести экспоненциально сложные вычисления с излучением Хокинга, что практически невозможно .
🧠 Завеса сложности и прыжок в черную дыру 1:18:23
В 2013 году Харлоу и Патрик Хейден опубликовали работу, в которой доказали: хотя информация теоретически выходит из черной дыры, её извлечение требует времени, экспоненциально превышающего время жизни самой черной дыры . Это вводит понятие «сложности» как физического барьера.
Это привело к дискуссии о «файерволах» (стенах огня). Группа ученых (AMPS) предположила, что если информация выходит, то на горизонте событий должна быть стена энергии, сжигающая любого наблюдателя . Харлоу, однако, предлагает альтернативу — «Локальность*» (Locality star) :
- Локальность соблюдается для всех простых процессов.
- Локальность нарушается только тогда, когда вы пытаетесь совершить «экспоненциально сложную» операцию над системой.
- Для наблюдателя, падающего в черную дыру, пространство остается гладким и обычным, пока он не доберется до сингулярности.
🌌 Будущее: замкнутая Вселенная и роль наблюдателя 1:38:20
В финале беседы Харлоу делится своими «безумными» идеями о космологии нашей реальной Вселенной (где космологическая постоянная положительна). Если Вселенная замкнута и не имеет границы, то, согласно голографическому принципу, у неё должно быть ноль фундаментальных степеней свободы .
Чтобы обойти этот абсурдный вывод, Харлоу предлагает включить наблюдателя в уравнения:
- Никто не может измерить замкнутую Вселенную «снаружи», только изнутри.
- Харлоу постулирует: чтобы быть наблюдателем, вы должны быть «классическим» объектом .
- Квантовая механика сама по себе может быть эмерджентной: она становится «чистой» и идеальной только в пределе, когда наблюдатель бесконечно велик. Но поскольку гравитация ограничивает размер объектов (слишком массивный наблюдатель станет черной дырой), обычная квантовая механика всегда содержит крошечные ошибки .
Несмотря на отсутствие прямых экспериментов, Харлоу уверен, что мы ограничены не данными, а теорией. По его мнению, у нас всё ещё нет ни одной полной теории квантовой гравитации, которая соответствовала бы всем известным фактам о нашем мире .
