Опять новости физики.
Коллеги!
Нехорошо, конечно, но я сейчас выложу еще одну свежую переводную статью.
Зачем? Все затем же - половить багов в смысле, в стиле, а иногда и в правописании (но это редко!).
Ну и рассказать новости физики. 8-)
Поэтому:
Сентябрь 2006.
"Почти сбежав из черной дыры."
Недавние теоретические расчеты опровергли идею о том, что даже информация не может вырваться из черной дыры.
Сет Ллойд. Факультет квантовомеханических исследований, Массачусетский технологический институт.
Представьте - вы проснулись в больнице, в целом все хорошо - только какая-то слабость и разбитость. Вроде бы, ничего не сломано - непонятно, как вы здесь оказались. Разве что… Последнее, что вы помните - как проснулись утром в своей постели и не увидели за окном ничего, кроме непрозрачно-черной пустоты. Только не это - ночью ваш дом поглотила черная дыра, настолько плотный объект, что даже свет не может улететь с нее. Вы не успели сказать и "Ой, блин" - как полетели прямо в сингулярность в центре дыры, где плотность вещества и энергии становится равной бесконечности, а все известные законы физики становятся бессмысленными крючками на листе бумаги. Потом - тошнота, это приливные гравитационные силы начали разрывать вас пополам…
Но вы же в больничной койке… Наверное, просто страшный сон. Только как же вас занесло в больницу? Спросить бы врача… А вот и он - отвечает, не дожидаясь вопроса: "Один из наших санитарных космических кораблей увидел "испаряющуюся" черную дыру. А клятва Гиппократа говорит, что мы должны помогать всем - даже тем, кто упал в настолько неприятное место. Корабль собрал все излучение, испущенное при распаде. После этого мы очень аккуратно расшифровали полученную информацию… Долгие часы возле операционного терминала, мы почти потеряли вас - но все же смогли воссоздать в том виде, в каком вы были до падения в сингулярность… Почти в таком виде, но это не важно. Поздравляю с возвращением из черной дыры!"
"Да вы что, это же невозможно! В школе мне говорили, что ничто не может убежать из … В общем, оттуда - даже свет!"
А правду ли говорили в той научно-фантастической школе? Ведь это один из самых важных вопросов физики - может ли информация выбраться из гравитационного колодца черной дыры? Почти два века подряд ответ звучал как "нет". Но недавние исследования заставляют нас пересмотреть эту позицию.
Спираль истории.
Мысль о том, что вещество может быть до того плотным, чтобы даже свет не мог преодолеть сил притяжения, была высказана английским священником Джоном Митчеллом в 1783 году. Десятилетием позже великий французский математик маркиз Пьер Симон де Лаплас на основе ньютоновой механики подсчитал, насколько плотной для этого явления должна быть звезда. Согласно Лапласу, если свет состоит из корпускул, он может двигаться со скоростью меньше скорости покидания звезды. Брошенный с земли камень вряд ли имеет достаточную для отрыва скорость - так и свету может не хватить импульса, чтобы убежать из гравитационного поля.
Ту же задачу, но уже на основе общей теории относительности Эйнштейна, решил в начале 20го века немецкий физик Карл Шварцшильд. Он нашел точку невозвращения, из-под которой уже ничто не может вырваться наружу, за пределы гравитационного поля объекта. Этот уровень был назван "горизонтом событий". Задача та же - объяснение другое. В теории Эйнштейна пространство искривляется гравитацией, и это искривление не дает ничему - даже свету - покинуть звезду.
Но в 1970х годах были обнаружены мерцания, которые показывали - что-то все же может покидать черную дыру. Эти мерцания вытекали из квантовой механики, области физики, описывающей самые малые масштабы реального мира. В 1974 году Стивен Хокинг (Кембриджский университет, Великобритания), основываясь на более ранних работах Якова Бекенштейна (Еврейский университет, Иерусалим), показал, что при квантовом описании полей черной дыры она перестает быть действительно черной. Возникает излучение частиц из зоны над горизонтом событий. Этот эффект был назван хокинговским излучением, и именно он точно показал возможность "испарения" черной дыры.
Работа Хокинга тут же была признана серьезным теоретическим прорывом - она была первым приложением квантовой механики к процессам, протекающим в черной дыре. Исходно Хокинг утверждал, что излучение черной дыры совершенно случайно, и не может нести никакой информации о происходящем под горизонтом событий. Это привело к знаменитому спору, состоявшемуся в 1997 году. С одной стороны были Стивен Хокинг и Кип Торн (Калифорнийский технологический институт), вместе с идеей о том, что информация не может просачиваться из-под горизонта событий. Обратное доказывал Джон Прескилл (также Калифорнийский Технологический).
Однако через два года Хокинг признал, что был неправ, и пообещал подарить Прескиллу энциклопедию бейсбола - именно так, как они договаривались перед первым своим спором.
Встает вопрос - как по случайному излучению можно восстановить причину, по которой оно было испущено? Или, вспомнив фантастически неудачное пробуждение в больнице, как врачи смогли собрать вас из настоящих протонов, нейтронов и электронов, если из черной дыры летели совершенно случайные частицы?
Законы вакуума.
Не будем торопиться с вопросом - как информация может выйти из черной дыры. Сначала поймем, как дыра вообще что-нибудь излучает. В квантовой механике пространство не может быть абсолютно пустым - это противоречит принципу неопределенности Гейзенберга. Оно заполнено парами виртуальных частиц, которые мгновенно появляются и тут же исчезают. Парами - потому что вакуум не может быть заряжен. Так, возникший виртуальный электрон обязательно возникает в паре со своей античастицей - виртуальным позитроном, именно это позволяет сохранить общий заряд нулевым. В квантовой механике настолько точная антисимметрия называется спутанным состоянием квантов - это значит, что состояние одной частицы точно определяет состояние другой.
Возле горизонта событий виртуальные пары частиц создаются непрерывно. При этом половина пары падает в дыру и уже не может рекомбинировать со своей второй половинкой. Оставшаяся частица же может иметь достаточно энергии, чтобы покинуть гравитационный колодец и создать видимость излучения. А то, что состояния спутаны, означает одно - упавший в черную дыру квант имеет отрицательную энергию. Но ведь мы знаем выражение для энергии - E = mc2. Значит, и "масса" упавшей частицы отрицательна - черная дыра уменьшается.
С горизонта событий летят частицы - а что происходит с информацией? С конца 19го века известно, что каждая элементарная частица несет информацию, измеряемую в битах - каждый из них имеет два состояния, "нет" или "да", "0" или "1". Скажем, фотон может быть поляризован горизонтально или вертикально - одно из состояний мы обозначим нулем, другое - единицей. В итоге фотон несет один бит.
По изначально предложенному Хокингом механизму при "испарении" черной дыры никакая информация не может быть вынесена наружу. Но этот механизм не учитывает то, что происходит внутри дыры. Под горизонтом событий присутствуют как исходная, непрерывно падающая в сингулярность материя, так и новобразованные частицы хокинговского излучения со своей отрицательной энергией.
Можно, конечно, подумать, что процессы, происходящие внутри черной дыры, никак не влияют на уже испущенное хокинговское излучение. Однако в 2003 году Гарри Хоровиц (Institute for Advanced Study in Princeton) и Хуан Мальдацена (Гарвардский университет) показали, что выход (или невыход) информации из черной дыры зависит от тех квантовых явлений, которые протекают под горизонтом событий. [см. J. High Energy Phys. 0402 008]. В частности, доказано - все зависит от того, что происходит в точке сингулярности.
Путешествие в центр небытия.
Сингулярность в центре черной дыры - странное, исключительное место, в котором плотность энергии, по всей видимости, становится бесконечной; и где все известные законы физики почти наверняка перестают выполняться. В сингулярности пространство-время, в сущности, перестает существовать, и вся информация вместе со всеми квантами тоже должны прекратить свою жизнь. На первый взгляд может показаться, что все состояния в центре черной дыры сбрасываются - как, вообще, можно говорить о том, что происходит в месте с нарушенными законами физики?
Но есть еще один фактор - насколько сильно эти законы нарушены. В сингулярности нечто (скажем, частицы либо информация) переходит в ничто (не-время и не-пространство). Звучит странно - но ведь у нас уже есть опыт обращения с ситуациями, в которых нечто (хокинговское излучение) возникает из ниоткуда (из вакуума). При этом законы сохранения заряда, спина, энергии-массы проявляются в том, что частицы возникают парами вместе со спутанными античастицами. А теперь предположим, что то же самое работает в обратном процессе, когда что-то становится ничем - что единственным путем для этого является аннигиляция спутанных пар.
Теперь предположим, что частица падающего хокинговского излучения встречается с исходной частицей дыры. Но ведь мы сказали - исчезать должна спутанная пара. Значит, провалившаяся под горизонт событий хокинговская частица должна быть полной противоположностью той, с которой она встретилась в сингулярности. В то же время, она противоположна излученной наружу частице. А противоположность противоположности - это исходное состояние! Другими словами, частица, сформировавшая черную дыру, и частица, излученная по Хокингу должны иметь одинаковые свойства.
Когда Хоровиц и Мальдацена предложили этот механизм побега из черной дыры, Прескилл и Даниэль Готтесман (Perimeter Institute in Canada), начали спор о том, может ли он вообще работать. [см. J. High Energy Phys. 0403 026]. Механизм Хоровица-Мальдацены, как было показано, очень хрупок, поскольку требует очень специфических условий - спутанности квантов исходной матери и хокинговского излучения. Но годом ранее автором этих строк было доказано, что вызванный спутанными состояниями уход из черной дыры все же работает довольно четко: почти каждый бит информации высылается наружу. [см. Phys. Rev. Lett. 96 061302].
Причина вновь лежит в неочевидных свойствах спутанных состояний. Почти все квантовые состояния лишь на полбита отличаются от того, что называется максимальной спутанностью: они очень сильно коррелируют друг с другом. В приложении к механизму Хоровица-Мальдацены это означает, что почти все состояния, возможные для вещества черной дыры, реализуются и в приходящем хокинговском излучении. Почти вся материя аннигилирует, почти вся информация уходит из черной дыры - хоть и в обработанном виде. Поэтому не удивляйтесь, когда очнетесь в больнице, чудом спасшись из черной дыры. Законы физики не запрещают почти полное восстановление информации.
Конечно, рассказ о побеге из черной дыры - чистой воды фантастика. Но у нас возникает возможность экспериментально смоделировать ее "испарение". В некоторых условиях можно создать маленькую сингулярность в ускорителе класса Большого Адронного Коллайдера в ЦЕРНе. В таком случае объем информации, ушедшей из черной дыры, может быть определен экспериментально.
А с точки зрения теоретиков тесная связь между "испарением" черной дыры и спутанными состояниями квантов подсказывает, на чем можно построить квантовую теорию гравитации - этим фундаментом может быть зарождающаяся квантовая теория информации.
Впрочем, пока не проведены длинные серии экспериментов, и не написаны тома теоретических выкладок - воздержитесь от прыжков в черные дыры!
Especially for OrlovIO
1. Это можно считать пересылкой текста редактору? 8-)
2. Некоторые названия институтов - в упор не понимаю, как переводятся...
3. Не стал исправлять E = gamma*m*c^2, хоть и режет глаза...
4. Пытался не повторять словосочетание "Черная дыра" - но у него ж синонимов нету...
5. Статью должна была переводить Маша - отказалась. Надя передала ее мне.
Ps. Вешать на шею фотоаппараты и идти снимать... Хватит пальцы отбивать!
Нехорошо, конечно, но я сейчас выложу еще одну свежую переводную статью.
Зачем? Все затем же - половить багов в смысле, в стиле, а иногда и в правописании (но это редко!).
Ну и рассказать новости физики. 8-)
Поэтому:
Сентябрь 2006.
"Почти сбежав из черной дыры."
Недавние теоретические расчеты опровергли идею о том, что даже информация не может вырваться из черной дыры.
Сет Ллойд. Факультет квантовомеханических исследований, Массачусетский технологический институт.
Представьте - вы проснулись в больнице, в целом все хорошо - только какая-то слабость и разбитость. Вроде бы, ничего не сломано - непонятно, как вы здесь оказались. Разве что… Последнее, что вы помните - как проснулись утром в своей постели и не увидели за окном ничего, кроме непрозрачно-черной пустоты. Только не это - ночью ваш дом поглотила черная дыра, настолько плотный объект, что даже свет не может улететь с нее. Вы не успели сказать и "Ой, блин" - как полетели прямо в сингулярность в центре дыры, где плотность вещества и энергии становится равной бесконечности, а все известные законы физики становятся бессмысленными крючками на листе бумаги. Потом - тошнота, это приливные гравитационные силы начали разрывать вас пополам…
Но вы же в больничной койке… Наверное, просто страшный сон. Только как же вас занесло в больницу? Спросить бы врача… А вот и он - отвечает, не дожидаясь вопроса: "Один из наших санитарных космических кораблей увидел "испаряющуюся" черную дыру. А клятва Гиппократа говорит, что мы должны помогать всем - даже тем, кто упал в настолько неприятное место. Корабль собрал все излучение, испущенное при распаде. После этого мы очень аккуратно расшифровали полученную информацию… Долгие часы возле операционного терминала, мы почти потеряли вас - но все же смогли воссоздать в том виде, в каком вы были до падения в сингулярность… Почти в таком виде, но это не важно. Поздравляю с возвращением из черной дыры!"
"Да вы что, это же невозможно! В школе мне говорили, что ничто не может убежать из … В общем, оттуда - даже свет!"
А правду ли говорили в той научно-фантастической школе? Ведь это один из самых важных вопросов физики - может ли информация выбраться из гравитационного колодца черной дыры? Почти два века подряд ответ звучал как "нет". Но недавние исследования заставляют нас пересмотреть эту позицию.
Спираль истории.
Мысль о том, что вещество может быть до того плотным, чтобы даже свет не мог преодолеть сил притяжения, была высказана английским священником Джоном Митчеллом в 1783 году. Десятилетием позже великий французский математик маркиз Пьер Симон де Лаплас на основе ньютоновой механики подсчитал, насколько плотной для этого явления должна быть звезда. Согласно Лапласу, если свет состоит из корпускул, он может двигаться со скоростью меньше скорости покидания звезды. Брошенный с земли камень вряд ли имеет достаточную для отрыва скорость - так и свету может не хватить импульса, чтобы убежать из гравитационного поля.
Ту же задачу, но уже на основе общей теории относительности Эйнштейна, решил в начале 20го века немецкий физик Карл Шварцшильд. Он нашел точку невозвращения, из-под которой уже ничто не может вырваться наружу, за пределы гравитационного поля объекта. Этот уровень был назван "горизонтом событий". Задача та же - объяснение другое. В теории Эйнштейна пространство искривляется гравитацией, и это искривление не дает ничему - даже свету - покинуть звезду.
Но в 1970х годах были обнаружены мерцания, которые показывали - что-то все же может покидать черную дыру. Эти мерцания вытекали из квантовой механики, области физики, описывающей самые малые масштабы реального мира. В 1974 году Стивен Хокинг (Кембриджский университет, Великобритания), основываясь на более ранних работах Якова Бекенштейна (Еврейский университет, Иерусалим), показал, что при квантовом описании полей черной дыры она перестает быть действительно черной. Возникает излучение частиц из зоны над горизонтом событий. Этот эффект был назван хокинговским излучением, и именно он точно показал возможность "испарения" черной дыры.
Работа Хокинга тут же была признана серьезным теоретическим прорывом - она была первым приложением квантовой механики к процессам, протекающим в черной дыре. Исходно Хокинг утверждал, что излучение черной дыры совершенно случайно, и не может нести никакой информации о происходящем под горизонтом событий. Это привело к знаменитому спору, состоявшемуся в 1997 году. С одной стороны были Стивен Хокинг и Кип Торн (Калифорнийский технологический институт), вместе с идеей о том, что информация не может просачиваться из-под горизонта событий. Обратное доказывал Джон Прескилл (также Калифорнийский Технологический).
Однако через два года Хокинг признал, что был неправ, и пообещал подарить Прескиллу энциклопедию бейсбола - именно так, как они договаривались перед первым своим спором.
Встает вопрос - как по случайному излучению можно восстановить причину, по которой оно было испущено? Или, вспомнив фантастически неудачное пробуждение в больнице, как врачи смогли собрать вас из настоящих протонов, нейтронов и электронов, если из черной дыры летели совершенно случайные частицы?
Законы вакуума.
Не будем торопиться с вопросом - как информация может выйти из черной дыры. Сначала поймем, как дыра вообще что-нибудь излучает. В квантовой механике пространство не может быть абсолютно пустым - это противоречит принципу неопределенности Гейзенберга. Оно заполнено парами виртуальных частиц, которые мгновенно появляются и тут же исчезают. Парами - потому что вакуум не может быть заряжен. Так, возникший виртуальный электрон обязательно возникает в паре со своей античастицей - виртуальным позитроном, именно это позволяет сохранить общий заряд нулевым. В квантовой механике настолько точная антисимметрия называется спутанным состоянием квантов - это значит, что состояние одной частицы точно определяет состояние другой.
Возле горизонта событий виртуальные пары частиц создаются непрерывно. При этом половина пары падает в дыру и уже не может рекомбинировать со своей второй половинкой. Оставшаяся частица же может иметь достаточно энергии, чтобы покинуть гравитационный колодец и создать видимость излучения. А то, что состояния спутаны, означает одно - упавший в черную дыру квант имеет отрицательную энергию. Но ведь мы знаем выражение для энергии - E = mc2. Значит, и "масса" упавшей частицы отрицательна - черная дыра уменьшается.
С горизонта событий летят частицы - а что происходит с информацией? С конца 19го века известно, что каждая элементарная частица несет информацию, измеряемую в битах - каждый из них имеет два состояния, "нет" или "да", "0" или "1". Скажем, фотон может быть поляризован горизонтально или вертикально - одно из состояний мы обозначим нулем, другое - единицей. В итоге фотон несет один бит.
По изначально предложенному Хокингом механизму при "испарении" черной дыры никакая информация не может быть вынесена наружу. Но этот механизм не учитывает то, что происходит внутри дыры. Под горизонтом событий присутствуют как исходная, непрерывно падающая в сингулярность материя, так и новобразованные частицы хокинговского излучения со своей отрицательной энергией.
Можно, конечно, подумать, что процессы, происходящие внутри черной дыры, никак не влияют на уже испущенное хокинговское излучение. Однако в 2003 году Гарри Хоровиц (Institute for Advanced Study in Princeton) и Хуан Мальдацена (Гарвардский университет) показали, что выход (или невыход) информации из черной дыры зависит от тех квантовых явлений, которые протекают под горизонтом событий. [см. J. High Energy Phys. 0402 008]. В частности, доказано - все зависит от того, что происходит в точке сингулярности.
Путешествие в центр небытия.
Сингулярность в центре черной дыры - странное, исключительное место, в котором плотность энергии, по всей видимости, становится бесконечной; и где все известные законы физики почти наверняка перестают выполняться. В сингулярности пространство-время, в сущности, перестает существовать, и вся информация вместе со всеми квантами тоже должны прекратить свою жизнь. На первый взгляд может показаться, что все состояния в центре черной дыры сбрасываются - как, вообще, можно говорить о том, что происходит в месте с нарушенными законами физики?
Но есть еще один фактор - насколько сильно эти законы нарушены. В сингулярности нечто (скажем, частицы либо информация) переходит в ничто (не-время и не-пространство). Звучит странно - но ведь у нас уже есть опыт обращения с ситуациями, в которых нечто (хокинговское излучение) возникает из ниоткуда (из вакуума). При этом законы сохранения заряда, спина, энергии-массы проявляются в том, что частицы возникают парами вместе со спутанными античастицами. А теперь предположим, что то же самое работает в обратном процессе, когда что-то становится ничем - что единственным путем для этого является аннигиляция спутанных пар.
Теперь предположим, что частица падающего хокинговского излучения встречается с исходной частицей дыры. Но ведь мы сказали - исчезать должна спутанная пара. Значит, провалившаяся под горизонт событий хокинговская частица должна быть полной противоположностью той, с которой она встретилась в сингулярности. В то же время, она противоположна излученной наружу частице. А противоположность противоположности - это исходное состояние! Другими словами, частица, сформировавшая черную дыру, и частица, излученная по Хокингу должны иметь одинаковые свойства.
Когда Хоровиц и Мальдацена предложили этот механизм побега из черной дыры, Прескилл и Даниэль Готтесман (Perimeter Institute in Canada), начали спор о том, может ли он вообще работать. [см. J. High Energy Phys. 0403 026]. Механизм Хоровица-Мальдацены, как было показано, очень хрупок, поскольку требует очень специфических условий - спутанности квантов исходной матери и хокинговского излучения. Но годом ранее автором этих строк было доказано, что вызванный спутанными состояниями уход из черной дыры все же работает довольно четко: почти каждый бит информации высылается наружу. [см. Phys. Rev. Lett. 96 061302].
Причина вновь лежит в неочевидных свойствах спутанных состояний. Почти все квантовые состояния лишь на полбита отличаются от того, что называется максимальной спутанностью: они очень сильно коррелируют друг с другом. В приложении к механизму Хоровица-Мальдацены это означает, что почти все состояния, возможные для вещества черной дыры, реализуются и в приходящем хокинговском излучении. Почти вся материя аннигилирует, почти вся информация уходит из черной дыры - хоть и в обработанном виде. Поэтому не удивляйтесь, когда очнетесь в больнице, чудом спасшись из черной дыры. Законы физики не запрещают почти полное восстановление информации.
Конечно, рассказ о побеге из черной дыры - чистой воды фантастика. Но у нас возникает возможность экспериментально смоделировать ее "испарение". В некоторых условиях можно создать маленькую сингулярность в ускорителе класса Большого Адронного Коллайдера в ЦЕРНе. В таком случае объем информации, ушедшей из черной дыры, может быть определен экспериментально.
А с точки зрения теоретиков тесная связь между "испарением" черной дыры и спутанными состояниями квантов подсказывает, на чем можно построить квантовую теорию гравитации - этим фундаментом может быть зарождающаяся квантовая теория информации.
Впрочем, пока не проведены длинные серии экспериментов, и не написаны тома теоретических выкладок - воздержитесь от прыжков в черные дыры!
Especially for OrlovIO
1. Это можно считать пересылкой текста редактору? 8-)
2. Некоторые названия институтов - в упор не понимаю, как переводятся...
3. Не стал исправлять E = gamma*m*c^2, хоть и режет глаза...
4. Пытался не повторять словосочетание "Черная дыра" - но у него ж синонимов нету...
5. Статью должна была переводить Маша - отказалась. Надя передала ее мне.
Ps. Вешать на шею фотоаппараты и идти снимать... Хватит пальцы отбивать!