Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы
Шрифт:
Это можно сравнить со стрельбой из лука. Когда в мишень целится хороший лучник, есть уверенность, что стрела в нее попадет. Хотя невозможно точно указать, в какое именно кольцо она воткнется, предсказать это с определенной вероятностью можно. Только когда стрела поразит мишень, становится точно известно, во сколько очков оценивается выстрел.
Квантовые частицы напоминают летящую по воздуху стрелу. Можно сказать, что стрела поражает мишень в момент измерения. Если оглянуться назад, то можно еще указать, кто из лучников выпустил стрелу. Задача обратима – стрела и лучник связаны. Именно поэтому физики в пределах определенной погрешности могут делать впечатляюще точные предсказания и связывать между собой причину и следствие.
Но если черные дыры разрушают квантовую информацию, то они прерывают и ясную траекторию движения во времени. Так сказать, прерывают
Некоторые теоретики полагают, что, возможно, квантовая информация запасается в центре черной дыры, то есть вблизи сингулярности. Но тогда вся информация, когда-либо исчезнувшая за горизонтом событий, должна оставаться там до тех пор, пока черная дыра не испарится. Впрочем, особого смысла в этом предположении нет, поскольку даже просто для хранения информации требуются пространство и энергия. Безусловно, черная дыра слишком мала и в ней нет места, чтобы хранить информацию миллиарда Солнц.
Другие же физики считают, что информация задерживается на горизонте событий или сразу под ним. Возможно ли, что когда нечто пересекает горизонт событий, он начинает вибрировать, как мембрана, и таким образом сохраняет информацию? Возможно ли, что черные дыры – только информация, запасенная на их поверхности? Доведись Эйнштейну услышать подобные предположения, он перевернулся бы в гробу. Ведь, согласно его принципу эквивалентности, при свободном падении в темную бездну черной дыры частица не должна даже заметить переход через горизонт событий. Только “врезавшись” в сингулярность, она поймет, что что-то пошло не так. В рамках общей теории относительности на горизонте событий места для информации нет.
Тем не менее большинство физиков полагает, что – так или иначе – информация накапливается в черных дырах и высвобождается оттуда вместе с излучением. Более того: они даже думают, что излучение черных дыр содержит секретный код, который, по крайней мере теоретически, можно расшифровать и который позволит выяснить, что с ними происходило в прошлом. Сам Стивен Хокинг, поначалу сомневавшийся, что такое возможно, проиграв пари [211] , тоже перешел в лагерь сторонников этой идеи. А вот знаменитый математик Роджер Пенроуз, показавший, что существование черных дыр с необходимостью следует из теории Эйнштейна, настаивает, что на самом деле внутри черных дыр информация необратимо теряется. Короче говоря, мы пока еще не знаем, что в действительности гравитационное поле делает с квантовыми частицами.
211
Schwarze Locher erinnern sich an ihre Opfer. // Spiegel Online, March 9, 2004. https://www.speigel.de/wissenschaft/weltall/hawking-verliert-wette-schwarze-loecher-erinnern-sich-an-ihre-opfer-a-289599.html.
Лично я, хоть и с некоторой осторожностью, склонен согласиться с мнением Пенроуза. Черные дыры – макроскопические объекты, не сводящиеся только к сингулярности в центре. Черная дыра – это скорее вся область искривленного пространства вокруг сингулярности. Она состоит из совокупности всех квантовых частиц внутри и вне сингулярности. Ни одна из этих квантовых частиц не является изолированной – на нее влияют все остальные частицы. Информация обобществляется [212] . Если это так, то можем ли мы по-прежнему говорить об индивидуальном состоянии частицы и об информации, содержащейся в отдельной частице? Есть ли смысл использовать принципы квантовой физики, рассуждая о пространстве, если оно не квантовано? Обратима квантовая теория, но не реальная макроскопическая Вселенная. Почему же таковыми должны быть черные дыры? Может быть, это самый большой генератор случайных чисел в космосе?
212
Если
Информационный кризис в физике в самом разгаре – об этом написаны целые книги. Ошибочна общая теория относительности – или ошибочна квантовая физика? Есть много убедительных гипотез, но мы не знаем, приведут ли они нас куда-нибудь. Однако кризис в физике – это всегда возможность появления новой теории. Уже более сорока лет ученые пытаются согласовать теорию гравитации и квантовую физику, но пока безуспешно. Построение теории квантовой гравитации – дело невероятно сложное. В большинстве предлагаемых вариантов крайне трудно даже заставить яблоко упасть на землю.
Творческих идей хватает; скорее не хватает ясного намека свыше, какая из этих двух теорий правильна. Однажды Герман Николаи, один из ведущих исследователей в области гравитации из Потсдама, сказал мне: “Я не думаю, что продвинуться дальше удастся, только теоретизируя, – нужен эксперимент”. Нужна “квантово-гравитационная” экспедиция Эддингтона!
Однако пока это скорее кризис теоретической физики. Наше изображение черной дыры еще не позволяет подтвердить или опровергнуть многочисленные новые теории. В данный момент для его интерпретации требуется только общая теория относительности, которая много объясняет лучше, чем любой иной подход. Если, согласно новой теории, размер и форма тени и впрямь будут на несколько процентов отличаться, то со временем нам, возможно, удастся обнаружить этот эффект. Если же подобные отклонения имеют место только на размерах квантовых объектов, они могут так навсегда и остаться скрытыми от нас.
Теперь, когда у нас есть изображение черной дыры, проблема несостыковки двух теорий стала чуть реальнее и чуть более осязаемой, чем раньше. Вглядываясь в темное пятно тени, мы смотрим непосредственно на край горизонта событий, где соперничают гравитация и квантовая физика. Проблема объединения двух больших теорий отнюдь не абстрактна. Она реальна. Наш результат состоит в том, что мы отыскали для этой проблемы определенное место, так что теперь на нее можно просто указать пальцем. Истинная тайна этого изображения кроется не в ярком огненном кольце, а в его темной области.
14
Бесконечность знания и ограничения
Одно из самых впечатляющих изображений было получено на основании снимков, сделанных космическим телескопом “Хаббл” в декабре 1995 года во время празднования Рождества. Телескоп, направленный на ничем не примечательный и почти случайно выбранный участок неба прямо над Ковшом Большой Медведицы, десять дней собирал снимки. Объединив 342 отдельные фотографии, исследователи построили изображение крохотного участка небесной сферы с очень высокой детализацией [213] . По сравнению с необозримыми просторами космоса эта область невероятно мала: примерно столько можно увидеть, глядя на небо через ушко иголки, которую держишь на расстоянии вытянутой руки. На фоне темного космического пространства светится множество крупных и мелких островков света. Если присмотреться, становится понятно, что каждое крохотное светлое пятнышко – это отдельная галактика. На одном этом изображении около 3 000 галактик. Чтобы отобразить все небо, требуется около 26 миллионов подобных крошечных изображений, что соответствует нескольким сотням миллиардов галактик. Считая, что каждая галактика состоит из сотен миллиардов звезд, мы приходим к выводу, что наша Вселенная содержит по крайней мере 10 22 звезд, хотя, вероятно, их гораздо больше.
213
Английское название этого изображения Hubble Deep Field. – Прим. пер.