Физик Нита Энгельхарт ищет универсальные истины в черных дырах Новости Массачусетского технологического института

По мнению Ниты Энгельхарт, секреты никогда не умирают. Даже не в черной дыре.

Энгельхарт — физик-теоретик в Массачусетском технологическом институте, который изучает сложную физику внутри и вокруг черных дыр, ища фундаментальные ингредиенты, из которых состоит наша Вселенная. При этом он переворачивает с ног на голову общепринятые идеи в области квантовой физики и гравитации.

Одно из самых больших открытий в ее работе заключается в том, как можно навсегда избежать попадания информации в черную дыру. В 2019 году, незадолго до того, как она пришла в Массачусетский технологический институт, она и другие физики использовали гравитационные методы, чтобы доказать, что все, что может случиться с информацией внутри черной дыры, в принципе может быть отменено при ее испарении.

Вывод команды ошеломил физическое сообщество, поскольку он представлял собой крупнейший прямой количественный прогресс в разрешении давнего информационного парадокса черной дыры — дилеммы, поднятой в работе физика Стивена Хокинга. Этот парадокс противоречит двум теориям, обе из которых кажутся верными: первая — столп «единства», который представляет собой принцип, согласно которому информация во Вселенной не создается и не уничтожается; Во-вторых, расчеты Хокинга, основанные на стандартной гравитационной физике, показывают, что информация действительно может быть уничтожена, особенно когда она излучается из испаряющейся черной дыры.

«Представьте, что у вас есть дневник, и вы подожгли его в лаборатории», — объясняет Энгельхарт. «По мнению подразделения, если бы вы знали фундаментальную динамику Вселенной, вы могли бы взять пепел и реконструировать его, чтобы увидеть дневник и его содержимое. Это было бы очень сложно, но вы могли бы это сделать. Но расчеты Хокинга показывают, что даже если бы вы знали фундаментальную динамику Вселенной, вы не смогли бы реконструировать обратимый процесс испарения черной дыры.

Инглхарт, работавшая тогда в Принстоне, и ее коллеги показали, что, вопреки расчетам Хокинга, можно использовать гравитационную физику, чтобы увидеть, что процесс испарения черной дыры на самом деле сохраняет информацию.

Будучи недавно принятым на должность преподавателя Массачусетского технологического института, Энглхарт сейчас занимается другими давними вопросами о гравитации, надеясь заполнить последние и самые большие пробелы в понимании физиками Вселенной в фундаментальных масштабах.

«В конечном счете, меня мотивируют вопросы о природе и о том, как устроена Вселенная», — говорит Энгельхардт, ныне доцент кафедры физики. «Отвечать на эти вопросы — это карьера».

Гравитационный портал

Энгельхарт родилась в Иерусалиме, где у нее рано появился интерес ко всему, что связано с наукой. Когда ей было девять, она и ее семья переехали в Бостон, отчасти для того, чтобы ее мать могла поступить в программу приглашенных ученых Массачусетского технологического института по лингвистике. Энглхарт был новичком в Америке, и, научившись читать только на иврите, он провел первые недели, читая каждую книгу, которую привезла с собой семья, некоторые из которых были необычны для 9-летнего ребенка.

«Я прочитал все оставшиеся у нас книги на иврите, пока, наконец, не осталась только одна книга — «Краткая история времени» Стивена Хокинга».

Книга Хокинга стала первым знакомством Энгельхарта с черными дырами, Большим взрывом, а также с фундаментальными силами и строительными блоками, из которых состоит Вселенная. Что мне показалось особенно интересным, так это недостающие части понимания физиков.

«Люди могут провести всю свою жизнь в поисках ответов на эти основные вопросы, которые мне показались совершенно интересными», — говорит Энглхарт. «Откуда возникла Вселенная? Каковы ее строительные блоки? Это были вопросы, которые, как я понял, я просто хотел знать ответ. С этого момента я интересовался не просто физикой, меня интересовала квантовая гравитация в 9.»

Эту искру она разожгла во время учебы в бакалавриате по специальности физика и математика в Университете Брандейса. Я поступил в Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, где получил докторскую степень по физике и по-настоящему начал копаться в тайне квантовой гравитации — области, которая пытается описать эффекты гравитации в соответствии с принципами квантовой механики.

Теория квантовой механики представляет собой удивительно хорошую схему для описания взаимодействий в природе на уровне атомов и ниже. Этими квантовыми взаимодействиями управляют три из четырех фундаментальных сил, известных физикам. Но четвертая сила, гравитация, ускользает от квантовой механики, особенно в ситуациях, где влияние гравитации огромно, например, в глубинах черных дыр.

В таких экстремальных системах невозможно предсказать, как поведут себя материя и гравитация. Такая теория дополнила бы понимание физиками того, как работает Вселенная в фундаментальных масштабах.

Для Инглхарта квантовая гравитация — это также путь к другим загадочным вопросам, на которые необходимо ответить. Например, то, как пространство и время возникают из чего-то более фундаментального. Энгельхарт посвятила большую часть своей дипломной работы вопросам геометрии пространства-времени и тому, как его кривизна может возникнуть из-за чего-то более фундаментального, описываемого квантовой гравитацией.

«Это серьезные вопросы, требующие решения», — признает Энглхарт. «Я провожу большую часть своего времени, думая: «Как я могу взять эту смутную интуицию и сжать ее в вопрос, на который можно ответить конкретно и количественно?» И это большая часть прогресса, которого вы можете достичь».

Отпечаток черной дыры

В 2014 году, в середине работы над докторской диссертацией, Инглхарт сосредоточила один из своих вопросов о квантовой гравитации и возникновении пространства-времени на конкретной проблеме: как вычислить квантовые поправки к энтропии гравитационных систем.

«Есть поверхности (в пространстве-времени), чувствительные к гравитации (искривляющиеся), называемые крайними поверхностями», — объясняет Инглхарт. «Уже существовала формула, которая использовала такие поверхности для расчета энтропии гравитационных систем в отсутствие квантовых эффектов. Но в реальной квантовой гравитации существуют квантовые эффекты, и мне нужна была формула, которая учитывала бы это».

Вместе с постдокторантом Аароном Уоллом она работала над построением общего уравнения, которое описывает, как вычислять энтропию гравитационных областей с учетом квантовых эффектов. Результат: максимальные квантовые поверхности, квантовое обобщение древних классических поверхностей.

В то время это упражнение носило чисто теоретический характер, поскольку квантовые эффекты большинства процессов во Вселенной настолько малы, что не могли даже слегка колебать окружающее пространство-время. Следовательно, их новое уравнение будет основано на предсказаниях, аналогичных чисто классическому уравнению.

Но в 2019 году, будучи постдокторантом в Принстонском университете, Инглхарт и другие поняли, что это уравнение может дать совсем другое предсказание того, что будет делать экстремальная квантовая поверхность и какой будет энтропия соответствующей квантовой гравитации в одной конкретной ситуации: как черная поверхность. Дыра испаряется. Более того, то, что предсказывает уравнение, может стать ключом к разрешению древнего информационного парадокса черной дыры.

«Это был очень драматичный момент», — вспоминает она. «Все работали круглосуточно, пытаясь разобраться в этом, и не спали по ночам, потому что мы были так взволнованы».

После трех недель лишения сна физики были убеждены, что сделали решающий шаг к решению парадокса: по мере того, как черная дыра испаряется и излучает информацию, которая изначально попала в нее, формируется новый, совершенно неклассический квант. Появляется максимальная поверхность, что приводит к гравитационной энтропии, которая уменьшается по мере того, как рассеивается больше информации. Они считали, что эта поверхность может служить отпечатком радиоактивной информации, которую в принципе можно использовать для восстановления исходной информации, которая, как показал Стивен Хокинг, будет утеряна навсегда.

«Это был момент эврики! — говорит она. — Я помню, как ехала домой, думала и, вероятно, говорила вслух: «Думаю, вот оно!»

Пока неясно, что на самом деле рассчитывал Хокинг, предполагая обратное. Но Энгельхарт считает, что парадокс близок к разрешению, по крайней мере в целом, и работа ее команды неоднократно подвергалась проверкам и тщательному изучению. Тем временем она переключила свое внимание на другие вопросы.

Тестовые подложки

Прорыв Энгельхарт произошел в мае 2019 года. Всего два месяца спустя она отправилась в Кембридж, чтобы начать преподавательскую деятельность в Массачусетском технологическом институте. Впервые она посетила кампус и прошла собеседование на эту должность в 2017 году.

«В Центре теоретической физики был определенный энтузиазм по поводу науки, и он чувствуется повсюду, он пронизывает институт», — вспоминает она. «Это была одна из причин, по которой я хотел поступить в Массачусетский технологический институт».

Ей предложили эту должность, которую она согласилась и решила отложить на год, чтобы завершить постдокторантуру в Принстонском университете. В июле 2019 года я начал работать в Массачусетском технологическом институте в должности доцента физики.

В первые дни своего пребывания в университетском городке, когда она создала свою исследовательскую группу, Энгельхарт занималась информационным парадоксом черной дыры, чтобы посмотреть, сможет ли она выяснить не только то, почему Хокинг ошибся, но и то, что он на самом деле рассчитывал, если не энтропию. От радиации.

«В конечном итоге, если вы действительно хотите решить этот парадокс, нам придется объяснить ошибку Хокинга», — говорит Инглхарт.

Ее догадка заключалась в том, что он каким-то образом рассчитывал совсем другую величину. Она считает, что работа Хокинга, которая изначально вызвала это противоречие, возможно, объясняла другой вид гравитационной энтропии, которая, по-видимому, приводит к потере информации при испарении черной дыры. Однако эта другая форма гравитационной энтропии несовместима с информационным содержанием, поэтому ее увеличение не будет противоречивым.

Сегодня она и ее студенты занимаются вопросами, связанными с квантовой гравитацией, а также сложной концепцией сингулярностей — случаев, когда объект, такой как звезда, коллапсирует в область гравитации, настолько сильной, что она разрушает само пространство-время. Физики исторически предсказывали, что сингулярности должны существовать только за горизонтом событий черной дыры, хотя другие видели намеки на то, что сингулярности существуют за пределами этих гравитационных границ.

«Большая часть моей работы сейчас направлена ​​на понимание того, сколько столпов гравитационной физики неверны в том виде, в котором мы их сейчас понимаем», — говорит она. «Ответы на эти вопросы — высшая мотивация».