Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики - Сасскинд Леонард

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 каждый такой бит обречён попасть в сингулярность.

Диаграммы Пенроуза — необходимый инструмент теоретических физиков, но для их понимания нужна небольшая подготовка. Вот более знакомая картина, представляющая ту же самую чёрную дыру.

Бит

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.

Хотя идея остатка была популярной альтернативой разрушению информации (на самом деле куда более популярной, чем правильная идея), она никогда меня не привлекала. Она выглядит как уловка для ухода от вопроса. Но это не только вопрос вкуса. Частица, способная скрывать бесконечное количество информации, обладала бы бесконечной энтропией. Существование таких бесконечно энтропийных частиц привело бы к термодинамической катастрофе: возникая в тепловых флуктуациях, они вытягивали бы всю теплоту из любой системы. На мой взгляд, остатки нельзя рассматривать всерьёз.

3. Рождаются дочерние вселенные

Время от времени я получаю сообщения по электронной почте, которые всегда начинаются однотипно: «Я не учёный и слабо разбираюсь в физике и математике, но я думаю, что нашёл решение проблемы, над которой вы и Хикинс… — иногда пишут „Хокинге“, а порой „Хоскинс“ —…работаете». Решение, предлагаемое в этих сообщениях, — это почти всегда дочерние вселенные. Где-то глубоко внутри чёрной дыры кусок пространства распадается и образует крошечную самодостаточную вселенную, отделённую от нашей области пространства-времени. (Я всегда представляю себе воздушный шарик с гелием, выскользнувший и улетевший.) Автор обычно доказывает, что вся информация, когда-либо упавшая в чёрную дыру, попадает в дочернюю вселенную. Это решает проблему: информация не уничтожается; она просто утекает куда-то в гиперпространство, надпространство, метапространство, или куда там деваются дочерние вселенные. Наконец, когда чёрная дыра Испаряется, разлом в пространстве заживаем, и, будучи отделёнными! попавшие в переделку биты становятся абсолютно ненаблюдаемыми.

Дочерние вселенные — возможно, и не совсем глупая идея, особенно если допустить, что эти дочки вырастают. Наша Вселенная сама расширяется. Возможно, каждая дочерняя вселенная тоже Расширяется и в конце концов дозревает до полноценной вселенной с галактиками, звёздами, планетами, собаками, кошками, людьми и своими собственными чёрными дырами. Но в качестве решения проблемы потерянной информации это просто бездоказательный уход от темы. Физика занимается наблюдениями и экспериментированием. Если дочерние вселенные уносят информацию, которая становится ненаблюдаемой, то для нашего мира результат будет точно такой же, как если бы информация уничтожалась, со всеми неприятными последствиями такого уничтожения[84].

4. Вариант с ванной

Данный вариант был наименее популярным возражением против хокинговской идеи. Эксперты по чёрным дырам и общей теории относительности отвергали его как «бьющий мимо цели». Тем не менее это была единственная возможность, которая имела смысл для меня. Представьте себе капли чернил, падающие в ванну с водой и несущие сообщение: буль, буль, кап, буль, кап, пропуск, кап, буль.

Очень быстро чётко оформленные капли начинают растворяться, прочитать сообщение становится всё труднее, а по воде расплываются чернильные облака.