Парадокс информационного сохранения и дополняемости является одним из ключевых вопросов современной квантовой гравитации, возникающим на пересечении теории черных дыр, термодинамики и квантовой механики. Центральной проблемой является согласование принципа сохранения информации с предсказаниями квантовой теории поля в криволинейном пространстве и классической общей теории относительности (ОТО).
Принцип дополнительности в контексте черных дыр был предложен Л. Сасскиндом, Г. ’т Хофтом и другими, как способ разрешить противоречие между квантовой механикой и ОТО. Он формулируется следующим образом:
Для внешнего наблюдателя: вся информация, падающая в черную дыру, не исчезает, а кодируется на горизонте событий и постепенно возвращается в виде излучения Хокинга. Из точки зрения наблюдателя снаружи, информация не теряется, что сохраняет унитарность эволюции.
Для падающего наблюдателя: в соответствии с классической ОТО, горизонт событий не является физическим барьером. Падающий объект не испытывает драматических эффектов на горизонте и пересекает его беспрепятственно. Из его точки зрения информация проходит внутрь и, по всей видимости, оказывается недоступной внешнему наблюдателю.
Ключевая идея: нет наблюдателя, который одновременно фиксирует как внешний, так и внутренний процесс. Противоречие между наблюдениями не приводит к нарушению законов квантовой механики.
В 2012 году А. Альтвен, Л. Сасскинд и Дж. Полчини предложили гипотезу “файрволла”, которая кардинально оспаривает принцип дополнительности. Основные положения:
Моногамность запутанности: квантовая механика запрещает полное запутывание одного и того же квантового состояния с двумя разными системами одновременно. В контексте черной дыры это означает, что позднее излучение Хокинга не может быть одновременно запутано с ранним излучением и с внутренними степенями свободы, если сохраняется унитарность.
Нарушение гладкости горизонта: если унитарность сохраняется, то запутанность нарушается на горизонте событий. Падающий наблюдатель сталкивается с высокоэнергетическими квантовыми возмущениями — так называемым файрволлом, который разрушает классическую картину пересечения горизонта.
Парадокс: существует конфликт между тремя аксиомами:
Невозможно одновременно соблюсти все три, если придерживаться стандартных представлений о пространстве-времени и квантовой теории поля.
Существует несколько подходов к описанию и математическому формализму файрволлов:
Полностью локализованное разрушение горизонта: горизонту приписывается резкое энергетическое поле, которое мгновенно разрушает падающие объекты. В этой модели файрволл проявляется как “стена” энергии на масштабе планковской длины.
“Soft firewall”: предложена менее радикальная модель, где файрволл проявляется постепенно через слабые корреляции между степенями свободы на горизонте, вызывая диссипацию и рассеяние частиц, но не мгновенное разрушение объектов.
Holographic considerations (AdS/CFT): в рамках голографического принципа файрволл интерпретируется как проявление неделимости информации в CFT-теории на границе пространства AdS. Это позволяет сохранить унитарность без классического разрушения горизонта, но вводит сложные квантовые корреляции, которые наблюдатель снаружи воспринимает как “файрволл”.
Парадокс файрволлов имеет фундаментальное значение для понимания квантовой гравитации:
Конфликт с эквивалентностью принципа: классическая ОТО утверждает, что свободно падающий наблюдатель не ощущает горизонта. Файрволл подрывает этот постулат, ставя под сомнение базовые принципы геометрии пространства-времени на планковских масштабах.
Необходимость нового формализма: стандартная локальная квантовая теория поля оказывается недостаточной для описания взаимодействий на горизонте черной дыры. Возможно, требуется теория с нелокальными или голографическими эффектами.
Влияние на модель информационного парадокса: файрволлы демонстрируют невозможность одновременного соблюдения всех принципов. Это стимулирует развитие альтернативных подходов, таких как:
Прямое наблюдение файрволлов пока недостижимо из-за экстремальных условий вблизи горизонта. Однако возможны косвенные подходы:
Моделирование в лабораторных аналогах черных дыр: использование Bose-Einstein конденсатов, оптических аналогов и акустических горизонтов для имитации излучения Хокинга и проверки предсказаний о нарушении запутанности.
Анализ космического излучения: наблюдение излучения черных дыр и его статистических корреляций может дать сигналы о квантовых нарушениях на горизонте.
Теоретические ограничения: файрволл накладывает строгие условия на возможные модели унитарного излучения и взаимодействий на горизонте, что позволяет исключать часть гипотетических сценариев.
Файрволлы остаются одной из самых активных и спорных тем в квантовой гравитации, стимулируя разработку теорий, которые объединяют квантовую механику и геометрию пространства-времени на фундаментальном уровне.