Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики
Шрифт:
С этим законом что-то не так, но что именно? Как и другие детерминистические законы, он полностью предопределяет будущее.
Но если попытаться определить прошлое, ничего не получится. Допустим, мы обнаружили монету в состоянии Р. Можно быть уверенными, что предыдущим состоянием было О. Пока всё хорошо. Но попробуем сделать ещё один шаг в прошлое. Имеются два состояния, которые ведут к О, а именно Р и Б. Это создаёт проблему: получили мы О из Р или из Б? Узнать это невозможно. Вот это я и называю потерей информации, но в классической физике такого никогда не случается. Математические правила, на которых строятся законы Ньютона и максвелловская теория электромагнетизма, не оставляют сомнений: за каждым состоянием следует единственное состояние, и предшествует ему также единственное.
Другой путь,
Как я уже объяснял, квантовая механика включает элемент случайности, но в более глубоком смысле информация в ней никогда не теряется. Я проиллюстрировал это на примере с фотоном в главе 4, давайте сделаем это снова, на этот раз на примере электрона, сталкивающегося с неподвижной мишенью вроде тяжёлого ядра. Электрон подлетает слева, двигаясь в горизонтальном направлении.
Он сталкивается с ядром и рассеивается в некотором непредсказуемом новом направлении. Хороший квантовый теоретик рассчитает вероятность того, что электрон отскочит, например, в перпендикулярном направлении, но не сможет надёжно это направление предсказать.
Есть два способа проверить, сохраняется ли информация о начальном движении. Оба они включают запуск электрона назад под управлением обращённых вспять законов.
В первом случае наблюдатель проверяет, где находится электрон непосредственно перед обращением закона. Это можно сделать разными способами, в большинстве из которых в качестве зондов служат фотоны. Во втором случае наблюдатель не беспокоится о проверке; он просто реверсирует закон, никак не вмешиваясь в поведение электрона. Результаты этих двух экспериментов разделаются радикально. В первом случае электрон, двинувшись назад, оказывается в итоге в случайном месте и двигается в непредсказуемом направлении. Во втором случае, когда проверка не выполнялась, электрон в конце возвратной последовательности всегда оказывается движущимся назад в горизонтальном направлении. Когда наблюдатель в первый раз после начала эксперимента посмотрит на электрон, он обнаружит, что тот движется точно так же, как в начале, только в обратную сторону. Похоже, что информация теряется лишь тогда, когда мы активно взаимодействуем с электроном. В квантовой механике до тех пор, пока мы не взаимодействуем с системой, информация, которую она несёт, остаётся столь же нерушимой, как и в классической физике.
Атака Стивена
Нелегко найти две более мрачные физиономии, чем были у меня и Герарда 'т Хоофта в тот день в Сан-Франциско в 1983 году. Высоко над Франклин-стрит в мансарде Вернера Эрхарда была объявлена война и совершено открытое нападение на наши самые глубокие убеждения. Стивен Наглец, Стивен Храбрец, Стивен Разрушитель располагал всем тяжёлым вооружением, а его ангельская/демоническая улыбка показывала, что он об этом знает.
В этом нападении не было ничего личного. Блицкриг был нацелен против центрального столпа физики — неразрушимости информации. Часто информация запутывается до полной нераспознаваемости, но Стивен доказывал, что биты информации, упавшие в чёрную дыру, навсегда пропадают из нашего мира. На доске у него была диаграмма, которая это доказывала.
В ходе своих блестящих исследований геометрии пространства-времени Роджер Пенроуз изобрёл способ визуального представления всего пространства-времени на одной доске или одном листе бумаги. Даже если пространство-время бесконечно, Пенроуз искажал его, сжимая при помощи хитрых математических приёмов, так чтобы оно целиком умещалось в конечной области. Диаграмма Пенроуза, нарисованная на доске в особняке Вернера, изображала чёрную дыру с битами информации, падающими за горизонт. Горизонт был показан диагональной линией, и как только бит её пересекал, он не мог вырваться назад, не превышая скорости света. Диаграмма также показывала, что
Диаграммы Пенроуза — необходимый инструмент теоретических физиков, но для их понимания нужна небольшая подготовка. Вот более знакомая картина, представляющая ту же самую чёрную дыру.
Идея Стивена была проста. Биты проваливаются в чёрную дыру, подобно метафорическим головастикам из главы 2, которые по беспечности попадают за точку невозврата.
Но не тот факт, что биты информации могут навсегда скрыться за горизонтом, так обеспокоил нас с 'т Хоофтом. Падение информации в чёрную дыру ничем не хуже её запирания в очень надёжном сейфе. Здесь же происходило нечто более зловещее. Возможность спрятать информацию в сейфе вряд ли станет поводом для беспокойства, но что, если после закрытия двери сейф прямо на ваших глазах испарится? Именно это предсказывал Хокинг для чёрных дыр.
К 1983 году я уже давно связал испарение чёрных дыр и наш разговор с Ричардом Фейнманом в кафе «Уэст Энд» в 1972 году. Сама мысль о том, что чёрные дыры могут в итоге распадаться на элементарные частицы, совершенно меня не тревожила. Но вот утверждение Стивена вызвало у меня недоверие: когда чёрная дыра испаряется, захваченные ею биты информации исчезают из нашей Вселенной. Информация не зашумляется. Она необратимо и навечно уничтожается.
Стивен со счастливым видом танцевал на могиле квантовой механики, а мы с 'т Хоофтом пребывали в полном замешательстве. Для нас подобная идея ставила под угрозу все законы физики. Попытка соединить общую теорию относительности с законами квантовой механики казалась чем-то вроде крушения столкнувшихся поездов.
Я не в курсе, знал ли 'т Хоофт о радикальной идее Стивена до встречи в мансарде у Вернера, но сам я впервые услышал о ней Именно там. Как бы то ни было, идея к тому времени уже не была Новой. Стивен разработал свои аргументы несколькими годами Ранее в опубликованных статьях и выполнил хорошую домашнюю работу. Он уже рассмотрел и отмёл все возражения, которые я мог придумать, чтобы избежать его «информационного парадокса». Рассмотрим четыре из них.
1. Чёрные дыры на самом деле не испаряются
Для большинства физиков вывод об испарении чёрных дыр был большой неожиданностью. Но доказательство испарения, хотя и весьма сложное, было предельно убедительным. Изучая квантовые флуктуации вблизи самого горизонта, Хокинг (а также Билл Унру) доказал, что чёрные дыры имеют температуру и, как и все нагретые объекты, должны испускать тепловое (чернотельное) излучение. Время от времени появляются научные статьи, утверждающие, что чёрные дыры не испаряются. Но такие статьи быстро теряются в огромной мусорной куче маргинальных идей.
2. От чёрных дыр сохраняется остаток
Хотя испарение чёрных дыр казалось твёрдо установленным, было также ясно, что по мере испарения они делаются горячее и меньше. В какой-то момент испаряющаяся чёрная дыра станет такой горячей, что будет излучать частицы чрезвычайно высокой энергии. В финальной вспышке испарения они будут иметь энергию, далеко превосходящую всё, с чем мы когда-либо сталкивались. Об этом последнем вздохе известно очень мало. Возможно, чёрная дыра прекратит испаряться, когда достигнет планковской массы (то есть массы пылинки). К этому моменту её радиус будет равен планковской длине, и никто не может сказать, что случится потом. Есть такая логическая возможность, что чёрная дыра прекратит испарение и от неё сохранится остаток — крошечный информационный сейф, содержащий всю захваченную информацию. Согласно этой идее, каждый бит информации, который когда-либо упал в чёрную дыру, остаётся плотно запечатанным в этом невообразимо малом сейфике. Крошечный планковский остаток обладал бы тогда фантастическими свойствами: он был бы неизмеримо малой частицей, в которой может скрываться любое количество информации.