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

10 Как Стивен потерял свои биты и не знал, где их найти

В газетах порой пишут, что иракская война тянулась дольше Второй мировой. Журналисты, конечно, имели в виду, что война в Ираке была продолжительнее периода активного участия Америки во Второй мировой войне, которая началась осенью 1939 года и закончилась лишь в 1945-м. Американцы склонны забывать, что ко времени атаки на Перл-Харбор шел уже третий год войны.

Возможно, я допускаю ту же эгоцентричную ошибку, говоря, что Битва при черной дыре завязалась в 1983 году, в мансарде у Вернера Эрхарада. Атака Стивена на самом деле началась в 1976 году, однако не бывает сражения без противника. Его нападение было в основном проигнорировано, хотя это и была прямая атака на один из самых надежных принципов физики — закон, утверждающий, что информация никогда не исчезает, или, в краткой форме, закон сохранения информации. Ввиду его исключительной важности для всего дальнейшего изложения давайте рассмотрим закон сохранения информации еще раз.

Что означает уничтожение в применении к информации? В классической физике ответ прост: информация уничтожается, если в будущем теряются следы прошлого. Как ни удивительно, это может происходить даже в случае детерминистических законов. Чтобы показать это, давайте вернемся к трехсторонней монете, с которой мы играли в главе 4. Три стороны монеты обозначались Р, О и Б (решка, орел и боковая сторона). В той главе два детерминистических закона я описал следующими диаграммами:

Оба закона обладают свойством детерминистичности, так что, каково бы ни было состояние монеты, можно с полной уверенностью указать ее следующее и предыдущее состояния. Сравним это с законом который описывается следующей диаграммой:

или формулой

Р=О О=Р Б=О

В словесной формулировке: если в один момент монета лежит решкой, то в следующее мгновение она ляжет орлом. Если она лежит орлом, то ляжет решкой. Если же она лежит на боку, то в следующий момент ляжет орлом. Данное правило совершенно детерминистично: с чего бы вы ни начали, будущее предопределено этим законом. Допустим, к примеру, начальное состояние было Б. Дальнейшая История полностью предопределена: БОРОРОРОР О… Если мы начнем с Р, то история будет: РОРОРОРОРОР О… Если же в начале будет О, то мы получим историю: ОРОРОРОРОР О…

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 все хорошо. Но попробуем сделать еще один шаг в прошлое. Имеются два состояния, которые ведут к О, а именно Р и Б. Это создает 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, на котором может теряться информация, связан с наличием в законе доли неопределенности. В этом случае нельзя быть полностью уверенным ни в будущем, ни в прошлом.

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 тяжелого 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 надежно это направление предсказать.

Есть два способа проверить, сохраняется ли информация о начальном движении. Оба они включают запуск электрона назад под управлением обращенных 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 несет, остается столь же нерушимой, как и в классической физике.

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 тяжелым 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 черную 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 изобрел 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 приемов, так чтобы оно целиком умещалось в конечной области. Диаграмма Пенроуза, нарисованная на доске в особняке Вернера, изображала черную дыру с битами информации, падающими за горизонт. Горизонт был показан диагональной линией, и как только бит ее пересекал, он не мог вырваться назад, не превышая скорости света. Диаграмма также показывала, что каждый такой бит обречен попасть в сингулярность.

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

Идея Стивена была проста. Биты проваливаются в черную 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 черную дыру ничем не хуже ее запирания в очень надежном 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 черных дыр.

К 1983 году я уже давно связал испарение черных дыр и наш разговор с Ричардом Фейнманом в кафе «Уэст Энд» в 1972 году. Сама мысль о том, что черные дыры могут в итоге распадаться на элементарные частицы, совершенно меня не тревожила. Но вот утверждение Стивена вызвало у меня недоверие: когда черная 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 отмел все возражения, которые я мог придумать, чтобы избежать его «информационного парадокса». Рассмотрим четыре из них.

Для большинства физиков вывод об испарении черных 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 черные дыры имеют температуру и, как и все нагретые объекты, должны испускать тепловое (чернотельное) излучение. Время от времени появляются научные статьи, утверждающие, что черные дыры не испаряются. Но такие статьи быстро теряются в огромной мусорной куче маргинальных идей.

Хотя испарение черных дыр казалось твердо установленным, было также ясно, что по мере испарения они делаются горячее и меньше. В какой-то момент испаряющаяся черная дыра станет такой горячей, что будет излучать частицы чрезвычайно высокой энергии. В финальной вспышке испарения они будут иметь энергию, далеко превосходящую все, с чем мы когда-либо сталкивались. Об этом последнем вздохе известно очень мало. Возможно, черная дыра прекратит испаряться, когда достигнет планковской массы (то есть массы пылинки). К этому моменту ее радиус будет равен планковской длине, и никто не может сказать, что случится потом. Есть такая логическая возможность, что черная дыра прекратит испарение и от нее сохранится остаток — крошечный информационный сейф, содержащий всю захваченную информацию. Согласно этой идее, каждый бит информации, который когда-либо упал в черную дыру, остается 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 всерьез.

Время от времени я получаю сообщения по электронной почте, которые всегда начинаются однотипно: «Я не ученый и слабо разбираюсь в физике и математике, но я думаю, что нашел 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 черной дыры кусок пространства распадается и образует крошечную самодостаточную вселенную, отделенную 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 черную 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 черная дыра Испаряется, разлом в пространстве заживаем, и, будучи отделенными! 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, звездами, планетами, собаками, кошками, людьми и своими собственными черными 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].

Данный вариант был наименее популярным возражением против хокинговской идеи. Эксперты по черным 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 четко оформленные капли начинают растворяться, прочитать сообщение становится все труднее, а по воде расплываются чернильные облака.

Спустя несколько часов остается лишь ванна, заполненная однородной, чуть сероватой водой.

Хотя с практической точки зрения сообщение безнадежно зашумлено, принципы квантовой механики утверждают, что оно по-прежнему присутствует в хаосе огромного числа движущихся молекул. Но вскоре жидкость начинает испаряться из ванны. Молекула за молекулой, чернила и вода улетают в пустое пространство, оставляя ванну пустой и сухой. Информация исчезает, но уничтожается ли она? Хотя она зашумлена настолько, что нет никакой практической возможности ее восстановить, ни один бит информации не пропал. Что с ней случилось, вполне очевидно: она была унесена продуктами испарения, облаком молекул, улетевших в пространство.

Возвращаясь к черным дырам, рассмотрим, что происходит с провалившейся в них информацией при их испарении. Если черная дыра чем-то похожа на ванну, то ответ будет таким же: все биты информации в конечном счете передаются фотонам или другим частицам, уносящим энергию черной дыры. Другими словами, информация сохраняется среди многочисленных частиц, составляющих хокинговское излучение. Мы с 'т Хоофтом были убеждены, что так оно и есть. Но практически никто из специалистов по черным дырам нам не верил.

Есть и другой способ понимания информационного парадокса Стивена. Вместо того чтобы позволить черной дыре исчезнуть, мы будем, по мере того как она испаряется, подкармливать ее новыми предметами — компьютерами, книгами, компакт-дисками — как раз в таком темпе, чтобы не позволять ей уменьшаться. Иначе говоря, мы будем восполнять черной дыре ее потери бесконечным потоком информации, чтобы предотвратить ее уменьшение. Согласно Хокингу, черная дыра, хотя и не растет (она испаряется по мере того, как мы ее подкармливаем), информацию заглатывает как будто бы без всяких ограничений.

Все это напоминает любимый мной в детстве цирковой номер. Больше всего мне нравились клоуны, а из всех их номеров наиболее впечатлял меня фокус с клоунским вагончиком. Я не знаю, как они это проделывали, но в очень маленькую кабинку втискивалось поразительное число клоунов. Но что, если в вагончик залезает нескончаемый поток клоунов, а обратно никто не выходит? Это же не может продолжаться бесконечно, правда? Клоунская емкость любого вагона конечна, и когда она целиком заполнена, то хоть что-то — может, клоуны, а может, сосиски — должно начать выходить обратно.

Информация как клоуны, а черные дыры — как их вагончик. Для черной дыры данного размера есть предельное число битов, которое она может содержать. Вы уже можете догадаться, что этот предел есть энтропия черной дыры. Если черная дыра подобна другим объектам, то, когда емкость заполнена, либо дыра должна начать расти, либо информация должна начать просачиваться наружу. Но как она может просачиваться, если горизонт на самом деле является точкой невозврата?

Неужели Стивен был так бестолков и не видел, что хокинговское излучение может содержать скрытую информацию? Конечно нет. Несмотря на свою молодость, Стивен знал о черных дырах по крайней мере не меньше, чем кто-либо другой, и намного больше, чем я. Он очень глубоко продумал аналогию с ванной и нашел серьезное основание, чтобы ее отвергнуть.

Геометрия шварцшильдовской черной дыры к середине 1970-х годов была полностью ясна. Всякий, кто был в теме, рассматривал горизонт в качестве точки невозврата. И как в аналогии со сточным отверстием, эйнштейновская теория предсказывала, что всякий, кто по неосторожности пересечет горизонт, не заметит при этом ничего особенного: горизонт — это математическая поверхность, не имеющая физического воплощения.

В души релятивистов были внедрены следующие два важнейших факта.

♦ На горизонте нет препятствий, способных помешать объекту его пересечь и попасть внутрь черной дыры.

♦ Ничто: ни фотон, ни какого-либо типа сигнал — не может вернуться назад из-за горизонта. Чтобы это сделать, понадобилось бы превысить скорость света, а это, согласно Эйнштейну, невозможно.

Чтобы максимально все это прояснить, вернемся к бесконечному озеру из главы 2 с опасным стоком в центре.

Рассмотрим бит информации, плывущий по течению. Пока он не прошел точку невозврата, его еще можно вернуть назад. Но возле этой точки нет никакого предупреждения; бит проплывет мимо нее, и как только это случится, он не сможет вернуться, не превышая ограничение скорости. Теперь бит навсегда потерян.

Математика общей теории относительности не оставляла сомнений относительно горизонтов черных дыр. Это были просто ничем не отмеченные точки невозврата, не создающие никаких препятствий для падающих объектов.

Такое понимание глубоко укоренилось в сознании всех теорфизиков. Именно по этой причине Хокинг был уверен, что биты не только проваливаются сквозь горизонт, но также навсегда теряются для внешнего мира. Открыв, что черные дыры испаряются, Стивен заключил, что информация не может уходить вместе с этим излучением. Она должна оставаться — но где? После испарения черной дыры не будет никакого места, где она могла бы скрываться.

Я покидал Вернера в дурном настроении. По меркам Сан-Франциско было очень холодно, я был в легкой куртке, не помнил, где припарковал машину, и очень злился на своих коллег. Перед уходом я попытался обсудить с ними аргументы Стивена и был удивлен явным отсутствием любопытства и обеспокоенности. Группа состояла в основном из физиков-ядерщиков, которые не особо интересовались гравитацией. Как и Фейнман, они считали, что планковский масштаб столь далек, что он не может влиять на свойства элементарных частиц. Рим был в огне, и гунны — у ворот, но никто этого не замечал.

По пути домой трафик был таким плотным, что движение на 101-м шоссе[85] периодически останавливалось. Я никак не мог выкинуть из головы утверждение Стивена. Стоя в пробке, я нарисовал на заиндевевшем ветровом стекле пару диаграмм и уравнений, но так и не нашел никакого выхода. Либо информация теряется, и тогда фундаментальные законы физики требуют полнейшего пересмотра, либо что-то эйнштейновская теория гравитации совершенно не работает вблизи горизонта черной дыры.

Как воспринял все это 'т Хоофт? Я бы сказал, очень ясно. Его неприятие хокинговских заявлений было несомненным. Точку зрения Герарда я опишу в следующей главе, но сначала надо объяснить смысл S-матрицы, его самого сильного оружия.

11 Датское сопротивление

Давайте начнем с одной долгой истории, причем случившейся не с нами, а с некой планетной системой, центральная звезда которой в десять раз тяжелее Солнца. Эта система не всегда была планетной; она берет начало в гигантском облаке газа, в основном из атомов водорода и гелия, но с примесью всех остальных элементов периодической таблицы. Вдобавок там есть свободные электроны и ионы. Иными словами, все начинается с очень разреженного облака частиц.

И тут за дело берется гравитация. Облако начинает само себя притягивать. Под действием собственного веса оно сжимается, и в этом процессе гравитационная потенциальная энергия превращается в кинетическую. Частицы движутся все быстрее, тогда как пространство между ними уменьшается. Уплотняясь, облако разогревается, пока наконец не станет настолько горячим, чтобы зажечься и стать звездой. Однако звезда захватывает не весь газ; кое-что остается на орбите и сжимается в планеты, астероиды, кометы и прочий мусор.

Проходит десять миллионов лет, и вот звезда исчерпала запасы водорода. В этот момент начинается короткий — длительностью, возможно, всего несколько сотен тысяч лет — период ее жизни в форме красного сверхгиганта. Наконец она умирает, порождая в катастрофическом, направленном внутрь себя взрыве черную дыру.

Потом медленно, очень медленно черная дыра излучает свою массу. Хокинговское испарение рассеивается в пространстве, унося энергию в форме фотонов и других частиц. Спустя ужасающе долгий отрезок времени — что-то около 10⁶⁸ лет — черная дыра исчезает в финальной вспышке высокоэнергичных частиц. К тому времени планеты давно уже распались на элементарные частицы.

Частицы приходят, и частицы уходят — таков ход истории. Все столкновения элементарных частиц, включая и те, что происходят в лабораториях, начинаются и заканчиваются одинаково: частицы сближаются и затем расходятся, а в промежутке между ними что-то случается. Так почему же долгая история звезды, пусть даже включающая на каком-то этапе черную дыру, фундаментально отличается от любого столкновения элементарных частиц? Герард 'т Хоофт как раз и полагал, что никакой разницы нет, и это может быть ключом к объяснению ошибки Хокинга.

Столкновения как атомов, так и элементарных частиц описываются математическим объектом, называемым S-матрицей, где S происходит от слова scattering — рассеяние. S-матрица — это гигантская таблица для всех возможных обстоятельств и результатов столкновения с численными значениями, которые можно пересчитать в вероятности. Это, конечно, не таблица, напечатанная в виде толстой книги, а определенная математическая абстракция.

Рассмотрим электрон и протон, которые движутся навстречу друг другу вдоль горизонтальной оси со скоростями соответственно 20 и 4 % от скорости света. С какой вероятностью конечным результатом их столкновения станут электрон, протон и еще четыре фотона? S-матрица — это математическая таблица таких вероятностей (строго говоря, амплитуд вероятности), которая сводит воедино квантовую историю столкновения. 'т Хоофт, как и я, был глубоко убежден, что вся история звезды (газовое облако → планетная система → красный гигант → черная дыра → хокинговское излучение) может быть сведена к единой S-матрице.

Одним из самых важных свойств S-матрицы является обратимость. Чтобы помочь разобраться в значении этого термина, я приведу экстремальный пример. Наш мысленный эксперимент включает столкновение двух «частиц». Одна из них будет довольно необычной. Это не одиночная элементарная частица, а огромное число атомов плутония. Фактически эта крайне опасная частица представляет собой атомную бомбу со столь чувствительным взрывателем, что он может сработать под воздействием одного-единственного электрона.

Другая частица, участвующая в столкновении, как раз и будет электроном. Итак, на входе таблицы S-матрицы мы имеем бомбу и электрон. А что будет на выходе? Хаос. Беспорядочное извержение атомов горячего газа, нейтронов, фотонов и нейтрино. Конечно, настоящая S-матрица будет невероятно сложна. В ней должны быть детально перечислены все образующиеся фрагменты вместе с направлениями и скоростями их движения, а затем указана соответствующая амплитуда вероятности, и так для каждого возможного исхода. Неизмеримо упрощенная версия S-матрицы могла бы выглядеть примерно так:[1][86]

Теперь вернемся к обратимости. S-матрица обладает тем свойством, что у нее есть обратная матрица. Это свойство — математическое выражение закона, говорящего о том, что информация никогда не теряется. Обратная S-матрица — это оператор, который возвращает назад изменения, производимые S-матрицей. Другими словами, это в точности то же самое, что я описывал раньше, говоря об обращении законов. Обратная S-матрица заставляет все идти в обратную сторону — от выхода к входу. Можно говорить об этом как о развороте направления движения всех результирующих частиц в тем самым об обращении всей системы, как в фильме, запущенном задом наперед. Если по окончании столкновения применить операцию обращения (развернуть все назад), фрагменты станут сближаться и собираться в исходную бомбу, включая все высокоточные цепи и чувствительные механизмы. И, да, конечно, там будет исходный электрон, теперь уже улетающий прочь от бомбы. Иными словами, S-матрица не только предсказывает будущее по прошлому, но также позволяет реконструировать прошлое по будущему. S-матрица — это код, устройство которого гарантирует, что никакая информация никогда не теряется.

Однако такой эксперимент очень сложен. Любая ничтожная ошибка — единственный искаженный фотон — разрушит код. В частности, нельзя подглядывать или иным образом взаимодействовать ни с одной частицей, пока не совершится обращение. В противном случае вместо исходной бомбы и электрона получится еще больший хаос.

Герард 'т Хоофт вступил в Битву при черной дыре под знаменем S-матрицы. Его позиция была совершенно прямолинейной: образование и последующее испарение черной дыры — просто очень сложный пример столкновения частиц. В фундаментальном плане это ничем не отличается от столкновения электрона с протоном в лаборатории. На самом деле если бы удалось в невероятной пропорции увеличить энергию электрона и протона, то их столкновение породило бы черную дыру. Коллапс газового облака — лишь один из способов создания черной дыры. При наличии достаточно большого ускорителя всего из двух частиц можно создать черную дыру, Которая затем испарится.

Для Стивена Хокинга тот факт, что S-матрица предполагает сохранение информации, доказывал ошибочность такого описания истории черной дыры. С его точки зрения, точная информация о газовом облаке — состояло ли оно из водорода, гелия или веселящего газа — уходит в сток за точкой невозврата и пропадает, когда черная дыра испаряется. Был исходный газ комковатым или однородным, сколько именно в нем было частиц — все эти подробности теряются навсегда. Разворот всех результирующих частиц и прослеживание обратного хода всех событий не приведут к реконструкции исходного состояния. По Хокингу, обращение конечного излучения породит лишь еще более однородное хокинговское излучение.

Если Хокинг прав, то весь процесс «частицы → черная дыра → хокинговское излучение» нельзя описывать обычной математикой на основе S-матрицы. Поэтому Стивен придумал ей на замену новую концепцию. У нового кода была дополнительная степень случайности, ведущая к стиранию исходной информации. Чтобы заменить S-матрицу, Стивен изобрел «He-S-матрицу». Он обозначил ее символом «$», и ее стали называть доллар-матрицей.

Подобно S-матрице, доллар-матрица — это закон, связывающий то, что на входе, с тем, что на выходе. Но вместо сохранения различий, унаследованных от начальной точки, в случае черной дыры доллар-матрица, наоборот, размывает эти различия, пока не становится безразлично, что было на входе — Алиса, бейсбольный мяч или трехдневная пицца, — после обращения все равно получается одно и то же. Бросьте в черную дыру свой компьютер со всеми файлами. Назад выйдет совершено однородное хокинговское излучение. Если обратить это действие, S-матрица соберет компьютер, однако из $-матрицы будет вытекать все то же однородное хокинговское излучение. Согласно Хокингу, вся память о прошлом теряется в сердце временно возникшей черной дыры.

Это была весьма досадная патовая ситуация. Герард говорил: S-матрица, Стивен говорил: $-матрица. Аргументы Стивена были ясными и убедительными, но вера Герарда в законы квантовой механики была непоколебимой.

Возможно, как говорят некоторые, мы с Герардом противостояли выводам Стивена, поскольку как физики занимались элементарными частицами, а не теорией относительности. Почти вся методология физики частиц вращается вокруг того принципа, что столкновения управляются обратимой S-матрицей. Но я не думаю, что мы отказывались отбросить этот закон из-за «элементарночастичного» шовинизма. Всю физику, не только теорию черных дыр, поглотила бы преисподняя, если бы дверь для потерь информации была открыта. Брошенный Стивеном вызов поджег фитиль целой пачки теоретического динамита.

Учитывая это, пришло, пожалуй, время объяснить, почему физики считают, что взрыв бомбы может быть обратимым. Это, конечно, невозможно опробовать в лаборатории. Но представим, что мы способны поймать все разлетающиеся атомы и фотоны и развернуть их назад. Если сделать это с бесконечной точностью, то законы физики приведут к воссозданию бомбы. Но любая мельчайшая ошибка, возможно единственный потерянный фотон или даже крошечная погрешность в определении направления этого фотона, приведет к катастрофе. Малейшая неточность склонна разрастаться. Единственный сперматозоид, не достигший своей цели, мог изменить историю, если он принадлежал, скажем, отцу Чингисхана. В бильярде ничтожное изменение в первоначальной расстановке шаров или направлении первого удара растет с каждым столкновением, приводя к совершенно иному результату. Так же происходит и при взрыве бомбы, и при столкновении пары высокоэнергичных частиц: малейшая ошибка в обращении их движений — и результат не будет иметь ничего общего с первоначальной бомбой или исходными частицами.

Так почему же мы так уверены, что идеальное обращение всех фрагментов восстановит бомбу? Мы знаем об этом потому, что фундаментальные математические законы атомной физики обратимы. Эти законы были проверены с невероятной точностью в случаях намного более простых, чем бомбы. Бомба — это не более чем совокупность атомов. Конечно, слишком трудно проследить за Движениями 10²⁷ атомов в процессе взрыва, однако наше знание атомных законов очень надежно.

Но чем же заменяются атомы и законы атомной физики, когда врывающаяся бомба заменяется испаряющейся черной дырой? Хотя у 'т Хоофта было много блестящих идей относительно природы горизонта, ясного ответа на этот вопрос он не дал. Нет, он, Конечно, знал, что заменой атомам должны быть микроскопические объекты, которые придают горизонту энтропию. Но что это такое и по каким именно законам они движутся, объединяются, разделяются и сочетаются? 'т Хоофт этого не знал. Хокинг и большинство релятивистов просто отбрасывали идею такого микроскопического обоснования, заявляя: «Второе начало термодинамики говорит нам, что физические процессы не могут быть обращены».

На самом деле второе начало утверждает не это. Оно говорит, что обратить физику невероятно трудно и малейшая ошибка похоронит все усилия. Более того, необходимо точно знать все детали — микроструктуру, — или неудача неминуема.

Сам я в те ранние годы противостояния считал, что верна S-матрица, а не $-матрица. Но просто сказать «S на $» было бы неубедительно. Лучшее, что можно было сделать, — это попытаться открыть загадочное микроскопическое происхождение энтропии черной дыры. И прежде всего это было нужно для понимания того, где кроется ошибка в рассуждениях Стивена.

12 Чья забота?

Никто никогда не станет использовать хокинговское излучение для лечения рака или совершенствования парового двигателя. Черные дыры никогда не станут использовать для хранения информации или поглощения вражеских боеголовок. Хуже того, в отличие от физики элементарных частиц или межгалактической астрономии — двух дисциплин, которые, видимо, тоже никогда не найдут практического применения, — квантовая теория испарения черных дыр, вероятно, никогда не будет даже проверена прямыми наблюдениями или экспериментами. Так зачем же тогда кто-то тратит на нее свое время?

Прежде чем ответить на этот вопрос, позвольте мне объяснить, почему хокинговское излучение вряд ли когда-либо удастся пронаблюдать. Давайте перенесемся в будущее, когда можно будет достаточно близко подобраться к астрономической черной дыре, чтобы в подробностях ее рассмотреть. Но и тогда не будет шансов наблюдать ее испарение по одной простой причине: ни одна черная дыра сейчас не испаряется. Как раз наоборот, все они поглощают энергию и растут; даже самая одинокая черная дыра окружена теплом. Самые пустынные области межгалактического пространства, настолько холодные, насколько это возможно, все же теплее черной дыры звездной массы. Пространство заполнено чернотельным излучением (фотонами), оставшимися после Большого взрыва. Самые холодные места во Вселенной раскалены до целых трех градусов выше абсолютного нуля, в то время как самая теплая черная дыра в сотни миллионов раз холоднее.

Самопроизвольно тепловая энергия всегда течет от теплого к холодному и никогда в обратном направлении, так что излучение более теплых частей космоса перетекает в холодные черные дыры. Вместо того чтобы испаряться и сжиматься, как было бы при температуре космоса, равной абсолютному нулю, реальные черные дыры постоянно поглощают энергию и растут.

Когда-то космос был гораздо горячее, чем сейчас, а в будущем расширение Вселенной сделает его намного холоднее. В конце концов, спустя сотни миллиардов лет, он остынет настолько, что станет холоднее звездных черных дыр. Когда это случится, черные дыры начнут испаряться. (Будет ли тогда кому это наблюдать? Кто знает, но будем оптимистами.) И все равно испарение будет чрезвычайно медленным — чтобы увидеть хоть малейшее изменение в массе и размерах черной дыры, понадобится как минимум 10⁶⁰ лет, — так что маловероятно, чтобы кто-нибудь сумел заметить уменьшение черной дыры. Наконец, даже если в нашем распоряжении будет все время Вселенной, нет никакой надежды расшифровать информацию, уносимую хокинговским излучением.

Вели попытки дешифровать сообщения, содержащиеся в хокинговском излучении, столь безнадежны, что нет никакого смысла их предпринимать, почему же эта проблема до сих пор так волнует физиков? Ответ звучит до некоторой степени эгоистично: мы занимаемся этим, чтобы удовлетворить свое любопытство относительно устройства мира и того, как взаимосвязаны законы физики.

На самом деле то же самое можно сказать про большую часть физики. Порой прагматичные вопросы приводят к глубоким научным исследованиям. Например, паровой инженер Сади Карно революционизировал физику, пытаясь построить улучшенный паровой двигатель. Но гораздо чаще к смене парадигм в физике приводило чистое любопытство. Любопытство — оно как зуд — все время тянет почесать. И у физика ничто не зудит сильнее, чем парадокс, несовместимость между разными вещами, о которых, как ему кажется, он все знает. Незнание того, как что-то работает, — тоже достаточно неприятно, но обнаружение противоречия между уже хорошо известными представлениями просто непереносимо, особенно когда сталкиваются самые фундаментальные принципы. Будет нелишним напомнить несколько таких столкновений и показать, как они приводили физику к весьма далеко идущим выводам.

Древнегреческие философы оставили парадоксальное наследие из двух несовместимых теорий, описывающих два совершенно отдельных мира явлений — небесных и земных. Мир небесных тел ныне относится к ведению астрономии. Считалось, что он лучше, чище, совершеннее — это прекрасный мир вечного и точного движения. Согласно Аристотелю, каждое небесное тело двигалось по одной из пятидесяти пяти идеальных концентрических кристаллических сфер.

Напротив, законы земных явлений считались испорченными. Движение по безобразной поверхности Земли всегда было делом тяжким. Нагруженная повозка, качаясь и скрипя, остановится, если ее перестанет тянуть лошадь. Куски материи буквально падают на землю и остаются там валяться. Эти основные законы управляют четырьмя элементами: огонь поднимается, воздух парит, вода падает, земля тонет, погружаясь до самой нижней точки.

Греки, похоже, были совершенно удовлетворены этими двумя совершенно разными наборами законов. Однако Галилей и в еще большей мере Ньютон посчитали такую дихотомию нетерпимой. Галилей просто придумал эксперимент, опровергающий представление о двух отдельных системах законов природы. Он представил, что стоит на вершине горы и бросает с нее камни: сначала так, чтобы камень упал в нескольких метрах от ног; затем сильнее, чтобы он пролетел несколько тысяч километров, прежде чем упасть; и, наконец, еще сильнее, так что камень облетит Землю по круговой орбите. Это создает новый парадокс: почему законы земных явлений столь сильно отличаются от законов небесных явлений, если земной камень может стать небесным телом?

Ньютон, родившийся в год смерти Галилея, разрешил эту загадку. Он понял, что один и то же закон гравитации заставляет яблоко падать с дерева и удерживает Луну на орбите вокруг Земли, а Землю на орбите вокруг Солнца. Ньютоновские законы движения и тяготения были первой системой всеобщих физических законов. Знал ли Ньютон, насколько полезными они окажутся для будущих авиакосмических инженеров? Вряд ли его это заботило. Им двигало любопытство, а не прагматика.

В другой раз великий зуд возник в голове Людвига Больцмана, И он стал ее усиленно чесать. И вновь было столкновение принципов: как может однонаправленный закон, всегда требующий возрастания энтропии, сосуществовать с обратимыми ньютоновскими законами движения? Если, как считал Лаплас, мир состоит из частиц, подчиняющихся законам Ньютона, то должна быть возможность запустить их в обратную сторону. В конце концов Больцман решил проблему, сначала поняв, что энтропия — это скрытая микроскопическая информация, а затем — что энтропия не всегда увеличивается. Время от времени происходят маловероятные события. Вы тасуете колоду, и чисто случайно карты складываются строго по возрастанию достоинства, причем черви идут за бубнами, которые следуют за трефами, а те — за пиками. Однако события, уменьшающие энтропию, — это очень редкие исключения. Больцман разрешил парадокс, сказав, что энтропия почти всегда возрастает. Сегодня статистический взгляд Больцмана на энтропию стал основанием для прикладной науки об информации, но для него самого загадка энтропии была лишь страшным зудом, который заставлял чесаться.

Интересно, что в случаях Галилея и Больцмана противоречия были выявлены не в результате нового экспериментального открытия. Ключом каждый раз оказывался правильный мысленный эксперимент. Галилеев эксперимент по бросанию камней и Больцманов — по обращению времени никогда не были осуществлены; достаточно было лишь размышлять о них. Но величайшим мастером мысленного эксперимента был Альберт Эйнштейн.

Два глубочайших противоречия не давали покоя в начале XX века. Первым был конфликт между принципами ньютоновской физики и максвелловской теории света. Принцип относительности, который мы привыкли ассоциировать с Эйнштейном, на самом деле восходит к Ньютону и даже к Галилею. Это простое утверждение о том, как выглядят законы физики из разных систем отсчета. Чтобы понять это, представим себе циркового артиста, жонглирующего шарами, который сел на поезд, чтобы отправиться в другой город. В дороге он захотел немного потренироваться. Но он никогда не жонглировал в движущемся поезде и задается вопросом: «Понадобится ли мне компенсировать движение поезда всякий раз, когда я подбрасываю шар в воздух и ловлю его? Надо прикинуть. Поезд движется на запад. Так что ловить брошенный шар я должен немного восточнее». Он пробует поступить так с одним шаром. Пока тот летит, ловящая рука движется на восток, и — бах! — шар падает на пол. Жонглер пробует снова, на этот раз уменьшая величину восточной компенсации. Опять неудача.

Надо сказать, что поезд попался очень высокого качества. Рельсы, по которым он идет, столь гладкие, а подвеска у вагонов такая замечательная, что движение совершенно неощутимо для пассажиров. Жонглер усмехается и говорит сам себе: «Понятно. Я просто не заметил, как поезд затормозил и остановился. Пока мы не поедем, я могу упражняться обычным образом. Вернусь-ка я обратно к старым добрым правилам жонглирования». И тут все получается замечательно.

Вообразите же удивление жонглера, когда, взглянув в окно, он видит местность, уносящуюся назад со скоростью добрых 150 км/ч. Глубоко озадаченный жонглер просит разъяснений у своего друга клоуна (на самом деле гарвардского профессора физики на каникулах). И вот что отвечает клоун: «Согласно принципам ньютоновской механики, законы движения одинаковы во всех системах отсчета, если они равномерно движутся друг относительно друга. Поэтому правила жонглирования совершенно одинаковы и в системе отсчета, покоящейся на земле, и в системе отсчета, движущейся вместе с плавно идущим поездом. Невозможно обнаружить движение поезда с помощью какого-либо эксперимента, целиком выполняемого внутри железнодорожного вагона. Только взглянув в окно, можно сказать, что поезд движется по отношению к земле, и даже тогда вы не сможете сказать, что именно движется — поезд или земля. Все движения относительны». Пораженный жонглер берет свои шары и продолжает упражняться.

Все движения относительны. Движение железнодорожного вагона со скоростью 150 км/ч, движение Земли вокруг Солнца со скоростью 30 км/с и движение Солнечной системы вокруг галактики со скоростью 200 км/с — все это необнаружимо, пока протекает гладко.

Гладко? Что это значит? Рассмотрим жонглера в момент отправления поезда. Внезапно состав трогается. При этом не только пиры смещаются назад, но и сам жонглер может повалиться на Пол. Когда поезд останавливается, тоже происходит нечто подобное. Или, допустим, поезд проходит по резкому изгибу рельсов. Определенно во всех этих ситуациях правила жонглирования потребуют модификации. Что за новый ингредиент в них добавится? Ответ — ускорение.

Ускорение означает изменение скорости. Когда железнодорожный вагон начинает движение или когда он неожиданно останавливается, скорость меняется и возникает ускорение. А что в случае прохождения поворота? Это менее очевидно, но истина все же в том, что и тут скорость изменяется — не по величине, но по направлению. Для физика любое изменение скорости — как по величине, так и по направлению — это ускорение. Так что принцип относительности надо уточнить:

Законы физики одинаковы во всех системах отсчета, которые равномерно (без ускорения) движутся друг по отношению к другу. Принцип относительности был впервые сформулирован примерно за 250 лет до рождения Эйнштейна. И почему же тогда Эйнштейн так знаменит? Потому что он обнаружил очевидный конфликт между принципом относительности и другим принципом физики, который можно назвать принципом Максвелла. Как обсуждалось в главах 2 и 4, Джеймс Клерк Максвелл открыл современную теорию электромагнетизма — теорию всех электрических и магнитных сил в природе. Важнейшее достижение Максвелла состояло в раскрытии великой тайны света. Свет, доказал он, состоит из волн электрических и магнитных возмущений, движущихся сквозь пространство, подобно волнам по поверхности моря. Но для нас важнее всего то, что, как доказал Максвелл, свет в пустом пространстве всегда движется в точности с одной и той же скоростью — около 300 000 км/с²[87]. Именно это я и называю принципом Максвелла:

Независимо от того, как был порожден свет, он движется в пустом пространстве всегда с одной и той же скоростью.

Но теперь у нас возникает проблема — серьезное противоречие между двумя принципами. Эйнштейн был не первым, кто обеспокоился противоречием между принципом относительности и принципом Максвелла, но он более четко увидел проблему. И пока другие разбирались с экспериментальными данными, Эйнштейн, мастер мысленного эксперимента, разбирался с экспериментом, поставленным исключительно внутри его головы. По собственным воспоминаниям Эйнштейна, в 1895 году, когда ему было 16 лет, он сформулировал следующий парадокс. Представив себя в железнодорожном вагоне, движущемся со скоростью света, он наблюдает световую волну, движущуюся рядом с ним в том же направлении. Увидит ли он световой луч, стоящий неподвижно?

Во времена Эйнштейна не было вертолетной техники, но мы можем вообразить его парящим над морем со скоростью, в точности равной скорости океанских волн. Волны будут казаться застывшими. Точно так же, рассуждал шестнадцатилетний юноша, пассажир вагона (напоминаю, движущегося со скоростью света) обнаружит совершенно неподвижную световую волну. Каким-то образом в молодом возрасте Эйнштейн уже знал об уравнениях максвелловской теории достаточно для понимания того, что нарисованная им картина невозможна: принцип Максвелла гласит, что свет всегда движется с одинаковой скоростью. Если законы природы одинаковы во всех системах отсчета, тогда принцип Максвелла можно применить и к движущемуся поезду. Принцип Максвелла и принцип относительности Галилея шли лоб в лоб.

Эйнштейн расчесывал свой зуд десять лет, пока не нашел выхода из положения. В 1905 году он написал свою знаменитую статью «К электродинамике движущихся тел»[88], в которой сформулировал совершенно новую концепцию пространства и времени — специальную теорию относительности. Она радикально изменила представления о расстоянии и длительности, а в особенности то, что мы подразумеваем под одновременностью двух событий.

В тот же период, когда Эйнштейн придумывал специальную теорию относительности, он был озадачен еще одним парадоксом. В начале XX века физики были в крайнем недоумении из-за чернотельного излучения. Вспомните главу 9, где я объяснял, что чернотельное излучение — это электромагнитная энергия, испускаемая святящимся горячим объектом. Представьте себе совершенно пустой закрытый контейнер при температуре абсолютного нуля. Внутри сосуда будет идеальный вакуум. Теперь давайте подогреем сосуд снаружи. Внешние стенки начинают испускать чернотельное излучение, то же происходит и с внутренними стенками. Их излучение попадает в закрытое пространство внутри сосуда, и оно заполняется чернотельным излучением. Электромагнитные волны разной длины мечутся по объему, отскакивая от внутренних стенок: красный свет, голубой, инфракрасный и все остальные цвета спектра.

Согласно классической физике, все длины волн — микроволны, инфракрасные, красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые и ультрафиолетовые волны — должны давать равный энергетический вклад. Но почему мы остановились в этом перечислении? Еще более короткие волны — рентген, гамма-лучи и еще более и более короткие волны — тоже должны давать равный вклад в энергию. Поскольку нет предела тому, сколь короткой может быть волна, классическая физика предсказывает, что в сосуде будет содержаться бесконечное количество энергии. Это признак абсурда — такая энергия немедленно испарила бы сосуд. Но где же именно ошибка?

Проблема эта была столь тяжела, что в конце XIX века ее стали называть ультрафиолетовой катастрофой. И вновь клинч возник в результате столкновения принципов, которые пользовались большим доверием, от обоих было очень трудно отказаться. С одной стороны, волновая теория невероятно успешно объясняла хорошо известные свойства света — дифракцию, преломление, отражение и самое впечатляющее — интерференцию. Никто не готов был отказываться от волновой теории, но, с другой стороны, на каждую длину волны должна приходиться равная энергия — это так называемая теорема о равнораспределении, вытекающая из самых общих аспектов теории теплоты, в частности и того, что тепло — это беспорядочное движение.

В 1900 году Макс Планк выдвинул важные новые идеи, которые вплотную подвели к разрешению дилеммы. Но лишь Эйнштейн в 1905 году нашел правильный ответ. Без всяких колебаний никому не известный патентный клерк сделал невероятно смелый ход. Свет, сказал он, — это не размытые пятна энергии, как считал Максвелл. Он состоит из неделимых частиц энергии, или квантов, которые позднее стали называть фотонами. Можно только изумляться самонадеянности молодого человека, который заявил величайшим ученым всего мира, что все их знания о свете ошибочны.

Гипотеза о том, что свет состоит из отдельных фотонов, энергия которых пропорциональна их частоте, решила проблему. Применив к этим фотонам статистическую механику Больцмана, Эйнштейн обнаружил, что на очень короткие волны (высокие частоты) приходится менее одного фотона. Меньше одного означает ни одного. Так что очень короткие волны не дают энергетического вклада, и мы избегаем ультрафиолетовой катастрофы. Дискуссия на этом не закончилась. Понадобилось почти тридцать лет, чтобы Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер и Поль Дирак примирили эйнштейновские фотоны с максвелловскими волнами. Но именно эйнштейновский прорыв открыл этот путь.

Общая теория относительности, величайшее творение Эйнштейна, также родилась из простого мысленного эксперимента, связанного с конфликтом принципов. Сам мысленный эксперимент был так прост, что выполнить его мог бы даже ребенок. Все, что в нем было, — это повседневное наблюдение: когда поезд набирает скорость, пассажиров прижимает к сиденьям, как будто вагон задрал нос, и гравитация тянет их к хвосту поезда. Так как же, спрашивал Эйнштейн, мы можем определить, что система отсчета ускоряется? И относительно чего она ускоряется?

Ответ Эйнштейна, повторенный клоуном: этого нельзя определить. «Что? — спросил жонглер. — Конечно, это можно сделать. Не вы ли только что сказали мне, что вас прижимает к спинке кресла?» — «Да, — отвечает клоун, — точно также, как если бы кто-то приподнял нос вагона так, чтобы назад вас тянула гравитация». Эйнштейн ухватился за эту идею: невозможно отличить ускорение от воздействия силы тяжести. У пассажира нет способа узнать, действительно поезд начал движение или к спинке сиденья его прижимает гравитация. Из этого парадокса и противоречия родился принцип эквивалентности:

Воздействие гравитации и ускорения неотличимы друг от друга.

Влияние гравитации на любую физическую систему в точности такое же, как и влияние ускорения.

Вновь и вновь мы видим одну и ту же картину. Рискуя впасть в некоторое преувеличение, можно сказать: крупнейшие прорывы в физике свершились благодаря мысленным экспериментам, которые обнаруживали противоречия между самыми глубокими принципами. И в этом отношении сегодня ничего не изменилось по сравнению с прошлым.

Вернемся к исходному вопросу, поставленному в начале этой главы: почему нас вообще должна волновать потеря информации при испарении черной дыры?

Шли дни и недели после встречи в мансарде Вернера Эрхарда, и до меня стало доходить, что Стивен Хокинг дотянулся до столкновения принципов, способного конкурировать с великими парадоксами прошлого. Что-то очень важное в наших фундаментальных представлениях о пространстве и времени серьезно не в порядке. Было очевидно — Хокинг сам это сказал, — что принцип эквивалентности и квантовая механика оказались на встречных курсах, ведущих к столкновению. Парадокс мог обрушить всю конструкцию, а мог примирить теории, принеся новое глубокое понимание обеих.

У меня это столкновение вызвало непереносимый зуд, но он оказался не слишком заразным. Стивен, казалось, был удовлетворен выводом о потере информации, и, похоже, мало кого еще тревожил этот парадокс На протяжении десятилетия, с 1983 по 1993 год, эта успокоенность сильно меня раздражала. Я просто не мог понять, как все, и в первую очередь Стивен, могут не замечать, что примирение принципов квантовой механики и теории относительности — это величайшая задача нашего поколения и прекрасный шанс сравняться в достижениях с Планком, Эйнштейном, Гейзенбергом и другими героями прошлого. Я чувствовал, что Стивен совершенно не понимает глубины своего собственного вопроса. Для меня стало чем-то вроде навязчивой идеи убедить Стивена и других (но особенно Стивена), что цель не в том, чтобы отвергнуть квантовую механику, а в том, чтобы согласовать ее с теорией черных дыр.

Мне казалось очевидным, — и я уверен, что Стивен, Герард 'тХоофт, Джон Уилер и почти любой знакомый релятивист, космолог или струнный теоретик с этим согласится, — что иметь две несовместимые теории природы интеллектуально нетерпимо и что общая теория относительности должна быть сделана совместимой с квантовой механикой. Однако физики-теоретики — это довольно вздорная компания[89].

13 Патовая ситуация

Будучи моложе, я не любил, когда люди, особенно на вечеринках и других социальных мероприятиях, интересовались, чем я зарабатываю на жизнь. Не то чтобы я стыдился или смущался. Просто это было слишком трудно объяснить. Чтобы избежать этой темы, я стал говорить: «Я — физик-ядерщик, но мне нельзя эту тему обсуждать». Это работало в шестидесятых и в семидесятых, но сегодня, когда холодная война закончилась, больше не действует.

Я до сих пор испытываю некоторые затруднения с этим вопросом, хотя и по другой причине: я сам не знаю, как правильно на него ответить. Очевидный ответ: «Я физик-теоретик» — обычно ведет к вопросу: «Каким разделом физики вы занимаетесь?» Вот в этом месте я и впадаю в ступор. Можно бы сказать, что занимаюсь элементарными частицами, но я также много работал с большими объектами, такими как черные дыры и вся Вселенная. Я мог бы сказать, что занимаюсь физикой высоких энергий, но иногда приходится работать с самыми низкими энергиями и даже со свойствами пустого пространства. Для того, чем занимаюсь я и большинство моих друзей, просто нет подходящего названия. Меня раздражает, когда меня называют струнным теоретиком; неприятно, что меня классифицируют так узко. Я был бы рад сказать, что работаю с фундаментальными законами природы, но это звучит слишком претенциозно. Так что обычно я отвечаю, что я физик-теоретик и работаю с множеством разных вещей.

На самом деле до начала 1980-х годов то, над чем я работал, можно было вполне корректно называть физикой элементарных частиц. Однако тогда эта область находилась в определенной стагнации. Стандартная модель элементарных частиц была готова, и наиболее интересные ее варианты уже проработаны. Было лишь вопросом времени — долгого времени — дождаться, когда будут построены ускорители для проверки этих вариантов. Так что, по правде говоря, я немного скучал и решил посмотреть, что можно сделать в области квантовой гравитации. Через несколько месяцев работы я стал беспокоиться, что Фейнман был прав — до квантовой гравитации было очень далеко, и не просматривалось никакого пути, по которому можно было бы продвинуться. Мне даже было неясно, в чем, собственно, состоят проблемы. Джон Уилер в своей неподражаемой манере сказал: «Вопрос в том — в чем состоит вопрос?» — и я определенно не видел, как на это ответить. Я был на грани того, чтобы вернуться к привычной физике элементарных частиц, когда совершенно неожиданно Стивен бросил бомбу, которая дала ответ на запрос Уилера: вопрос в том, как нам спасти физику от анархии потерянной информации?

Если физика элементарных частиц переживала тогда стагнацию, то и с квантовой теорией черных дыр было то же самое, и так продолжалось около девяти лет. Даже Хокинг ничего не публиковал о черных дырах с 1983 по 1989 год. Я смог найти за весь тот период всего восемь журнальных статей, которые затрагивали бы вопрос о потере информации в черных дырах. Одну из них написал я сам, все остальные — ’т Хоофт, в основном выражая в них свою веру в S-матрицу, а не в $-матрицу Хокинга.

Причина, по которой я почти ничего не публиковал о черных дырах в течение девяти лет после 1983 года, была в том, что я попросту не мог найти никакого подхода к решению головоломки. Я обнаружил, что на протяжении всего этого времени снова и снова задавал себе вопросы и каждый раз сталкивался с непреодолимыми препятствиями. Логика Хокинга была совершенно ясна: горизонт — это просто точка невозврата, и что бы ее ни пересекло, оно не может вернуться обратно. Рассуждение было убедительным, но вывод — абсурдным.

Вот как я объяснил проблему на лекции для группы любителей физики и астрономии в Сан-Франциско где-то в 1988 году[90].

Я хотел бы привлечь ваше внимание к серьезному конфликту принципов, который впервые описан тринадцать лет назад Стивеном Хокингом. Причина, по которой я сейчас к этому конфликту возвращаюсь, состоит в том, что он указывает на очень серьезный кризис, который должен быть разрешен прежде, чем мы сможем понять самые глубокие вопросы физики и космологии. Эти вопросы включают, с одной стороны, гравитацию, а с другой — квантовую теорию.

Вы можете спросить: почему нам вообще надо смешивать эти две области? В конце концов, гравитация имеет дело с очень большим и очень тяжелым, тогда как квантовая механика управляет миром очень малого и легкого. Ничто не может быть тяжелым и легким в одно и то же время, так как же обе теории могут быть важны в одном и том же контексте?

Давайте начнем с элементарных частиц. Как вы все знаете, сила гравитации между электронами и атомным ядром невероятно мала по сравнению с электрическими силами, которые скрепляют атом. То же самое верно, но в еще большей степени, для ядерных сил, которые удерживают вместе кварки в протоне. Фактически сила гравитации примерно в миллион миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (10⁴⁰) раз слабее обычных сил. Поэтому ясно, что она не играет существенной роли в атомной и ядерной физике, что уж говорить об элементарных частицах.

Обычно мы думаем об элементарных частицах, таких как электрон, как о бесконечно малых точках в пространстве. Но это не вся правда. Дело в том, что у элементарных частиц достаточно много свойств, которыми они различаются между собой. Некоторые из них имеют электрический заряд, а другие — нет. Кварки обладают, например, барионным числом, изоспином и свойством, которое ошибочно названо цветом. Частицы, подобно волчкам, вращаются вокруг своей оси. Нет оснований считать, что одна точка может обладать такой структурой и разнообразием свойств. Большинство физиков, занимающихся элементарными частицами, уверены, что если мы сможем исследовать частицы в невероятно малых масштабах, то увидим, как устроен их внутренний механизм.

Если и в самом деле правда, что электроны и их многочисленные родственники не бесконечно малы, то у них должны быть определенные размеры. Но все, что мы знаем из прямых наблюдений (при столкновениях частиц), так это то, что они не больше примерно одной десятитысячной атомного ядра.

Происходят, однако, совершенно экстраординарные вещи. Последние несколько лет мы собрали косвенные свидетельства того, что механизм внутри элементарных частиц имеет ни больше ни меньше как планковские размеры. Теперь планковская длина приобрела невероятное значение для физиков-теоретиков. Мы привыкли думать, что гравитация гораздо слабее электрических и субъядерных сил, и поэтому она совершенно несущественна для описания поведения элементарных частиц. Однако это не так, когда частички материи сближаются друг с другом на планковскую длину. В этих условиях гравитация не только уравнивается с другими силами, но и превосходит их.

Все это означает, что в глубине нашего мира, на расстояниях столь малых, что на них даже электроны имеют сложную структуру, гравитация может быть самой важной силой, скрепляющей частицы. Как видите, в планковском масштабе гравитация и квантовая механика могут работать совместно и объяснять свойства электронов, кварков, фотонов и всей этой честной компании. Нам, физикам, изучающим элементарные частицы, очень нужно построить ясную теорию квантовой гравитации.

Космологи тоже могут избегать квантовой гравитации лишь до определенного момента. Отслеживая Вселенную назад во времени, мы узнаем, что она была гораздо плотнее напичкана частицами. Сегодня [1988] фотоны, образующие КМФ[91], находятся почти на сантиметровом расстоянии друг от друга, но когда они только испускались, расстояние между ними было в тысячу раз меньше. Ещё дальше в прошлом частицы были стиснуты, как сардины в банке, причем в еще меньшем объеме. Похоже, что во время Большого взрыва они могли находиться на расстоянии не больше планковской длины. В таком случае частицы были столь близки, что самой важной силой, действующей между ними, была гравитация. Иными словами, та же сила квантовой гравитации, которая является ключом к пониманию элементарных частиц, может также быть главной силой, ответственной за Большой взрыв.

Итак, поняв важность квантовой гравитации для нашего будущего (и нашего прошлого), попробуем разобраться, что же мы о ней знаем? Не многим более того, что квантовая теория и гравитация очень серьезно столкнулись, особенно в вопросе о черных дырах. Это на самом деле хорошо, поскольку означает, что у нас есть шанс понять важные вещи, разрешив эту коллизию. Сегодня я собираюсь рассказать короткую историю, которая иллюстрирует данную проблему — не ее решение, а только саму задачу.

8 419 677 599-й год

Давным-давно Земля сошла с орбиты вокруг ныне уже мертвой звезды Сол. Бессчетные поколения сменились за время странствия, пока мы не нашли свое место на орбите вокруг гигантской черной дыры где-то в сверхскоплении Кома. Планета находится под управлением одной и той же корпорации с конца двадцать первого века, когда в результате бескровного переворота вся власть оказалась в руках фармацевтической индустрии.

— И что же теперь, граф Геритол? Вы же пообещали результат за пять лет. А теперь растрачиваете мое время на очередной отчет о «продвижении»?

— Ваше Королевское Высочество, ничтожный червь молит вас о королевском прощении за свою непростительную глупость, но на этот раз у меня поистине замечательные новости. Мы его поймали!

Его Королевское Высочество император Мерк LLXXXVI на мгновение нахмурился. Затем повернул свою невероятно лысую голову к графу, министру производства фальшивой информации и продвижения антирациональных наук, и пригвоздил его к стене своим буравящим взглядом:

— Дурак. Кого вы поймали? Еще одного попугая?

— Нет, Ваше Сиятельство. Это еретик, величайший из них. Мы поймали решающего уравнения потомка грязного физика, того, кто заражает наш народ злыми слухами о том, что антигравитационные пилюли — подделка. Прямо сейчас он в вашей приемной прикован цепями к стене. Привести? — Подхалимское лицо графа растянулось в угоднической улыбке. — Готов поспорить, он бы не отказался сейчас от валиума. Ха-ха.

Слабая улыбка промелькнула на лице Его Королевского Высочества:

— Тащите собаку сюда.

Пленника, изодранного, избитого, но нераскаявшегося, грубо швырнули на пол к ногам Геритола.

— Как твое имя, собака, и кто твоя родня?

Поднявшись на ноги и дерзко отряхивая пыль со своей туники, пленник посмотрел в глаза своему гонителю и гордо ответил:

— Меня зовут Стив[92]. — После долгой демонстративной паузы, столь долгой, что граф почувствовал себя неудобно, он продолжил: — Я потомок древнего рода, который известен со времен Битвы при черной дыре. Моим предком был Стивен Смелый из Кембриджа.

Черты лица императора на мгновение смазались неуверенностью, но он быстро восстановил самообладание и улыбнулся:

— Прекрасно, доктор Стив, полагаю, вам подойдет этот титул. Теперь посмотрите, куда ваш древний род вас привел. Ваше существование меня раздражает. Единственный вопрос: как именно избавиться от вашего присутствия.

Позднее, когда искусственное солнце зашло на западе, Стиву принесли его последний ужин. Как будто в насмешку, император прислал отборные кушанья со своего собственного стола и к ним приложил сообщение о своей «симпатии». Мрачный охранник с низко посаженной головой (тюремщики, однако, хорошо относились к Стиву) зачитал послание. На взгляд охранника, это была худшая из возможных новостей. «Завтра в первом часу вас, вашу семью и всех ваших друзей-еретиков поместят на борт малой обитаемой планеты и сбросят в бездну — в гигантскую утробу темного огня и жара, окружающую черную дыру. Сначала вам будет становиться все горячее. Потом ваша плоть станет поджариваться, а кровь закипит. Все ваши биты будут перемешаны до полного испарения и необратимо рассеются в небесах». Без видимых причин лицо Стива успокоилось, и на нем проступила слабая улыбка. «Странная реакция на плохое известие», — подумал охранник.

Император и граф поднялись рано утром. Настроение у властелина было дружелюбным, почти веселым.

— Сегодня мы позабавимся. Не так ли, граф?

— О да, Ваше Превосходство. Я уже объявил о казни. Народ с удовольствием понаблюдает в свои телескопы за тем, как у еретиков закипает кровь.

Беспокоясь об императорском одобрении, граф предложил дополнительно проверить температуру черной дыры.

— Проверьте, министр. С этого расстояния горизонт выглядит холодным, но давайте опустим термометр ближе к поверхности на тросе и зафиксируем температуру у горизонта. Конечно, это делалось не раз, но я хочу порадоваться тому, как растет столбик ртути.

И вот уже небольшая ракета готова поднять над Землей термометр. Преодолев земное тяготение, градусник падает к горизонту, а за ним тянется кабель. Термометр опускается, пока кабель не натягивается.

— Тепло, но не горячо. Опустите пониже, граф, — приказывает император. Еще немного кабеля сматывается с барабана. В телескоп император наблюдает за подъемом ртути: выше точки кипения воды, выше точки кипения ртути, стекла — наконец, термометр испаряется.

— Достаточно ли горячо, Ваше Высочество? — спрашивает граф.

— Вы имеете в виду, достаточно ли горячо для Стива, граф? Да, я думаю, там отличный климат. Пора начинать казнь.

И вот уже вторая ракета, на этот раз достаточно большая, чтобы нести две сотни человек, готовится отправить несчастных научно-рациональных еретиков на небольшой, но гостеприимный спутник. Жена Стива, рыдая от безысходности, крепко вцепилась в его руку. Физик хотел бы объяснить ей правду, но еще слишком рано. Повсюду вокруг них императорская гвардия.

Спустя несколько часов граф собственноручно нажимает кнопку, которая запускает гигантскую ракету, сводящую небольшой зеленовато-голубой спутник с околоземной орбиты. Вместе с двумястами напуганными пассажирами (теперь гвардии с ними уже нет) колония начинает спускаться к темному огню.

— Я вижу их, граф, — сообщает император. — Тепло начинает на них воздействовать. Их движения становятся расслабленными и замедленными. О-о-очень замедленными.

Купол обсерватории весьма велик, и окуляр телескопа оказался в самом неудобном месте. Граф улыбается, достает антигравитационные пилюли и предлагает одну императору:

— Ради безопасности Вашего Высочества. Падение отсюда может быть весьма неприятным.

Император глотает пилюлю и вновь смотрит в окуляр:

— Я еще вижу их. Но смотрите, они начинают падать прямо к горизонту. Теперь мои лояльные подданные увидят, как разрывает моих врагов. Следите, их индивидуальные биты постепенно смешиваются в горячий плотный суп. И, один за другим, они уносятся фотонами. Подсчитаем их и убедимся, что враги полностью испарены.

Они следят, как фотоны регистрируются и анализируются гигантской батареей компьютеров телескопа.

— Что ж, — констатирует граф. — Все в полном соответствии с предсказаниями квантовой механики. Учтен каждый бит информации, но они перемешаны до полной нераспознаваемости. Никто не сможет Шалтая-Болтая собрать.

Император кладет руку на плечо графа и говорит:

— Мои поздравления, граф. Очень хорошая утренняя работа. — Но неосторожный жест нарушает его равновесие. Шестьдесят метров до пола, и граф вдруг думает: а действительно ли слухи об антигравитационных пилюлях — полная неправда?

Стив напряженно изучает свой блокнот. Затем с улыбкой отрывается и обнимает жену:

— Дорогая, скоро мы совершенно безопасно пересечем горизонт.

Миссис Стив и остальные явно озадачены, и он продолжает:

— Наше спасение — принцип эквивалентности, — объясняет он. — На горизонте нет опасности. Это не более чем безобидная точка невозврата.

И добавляет:

— К счастью, мы находимся в состоянии свободного падения, и наше ускорение полностью погасит воздействие гравитации черной дыры. Пройдя через горизонт, мы ничего не почувствуем.

Его жена по-прежнему смотрит скептически:

— Пусть даже горизонт безвреден. Но я слышала ужасные рассказы о неизбежной сингулярности внутри черной дыры. Разве она не разорвет нас на биты?

— Да, это так, — отвечает он. — Но эта черная дыра так велика, что пройдет около миллиона лет, прежде чем наша планета приблизится к сингулярности.

И с этими словами они счастливо пересекли горизонт, по крайней мере, если вы верите в принцип эквивалентности.

Конец

В этой истории много огрехов, помимо литературных. В частности, если черная дыра столь велика, что Стив и его последователи могут прожить годы, прежде чем достигнут сингулярности[93], то и графскому термометру понадобится не меньше лет, чтобы добраться до места измерения. Еще хуже то, что время, в течение которого черная дыра испускает биты информации, изначально принадлежавшие Стиву и его последователям, должно быть невероятно долгим, гораздо большим, чем время жизни Вселенной. Но если игнорировать такие количественные детали, основная логика этой истории вполне осмысленна.

Или нет?

Стал ли Стив жертвой горизонта? Граф и император подсчитали каждый бит, и все они были в продуктах испарения «в полном соответствии с предсказаниями квантовой механики». Так что Стив был уничтожен, когда приблизился к горизонту. Но история также говорит, что Стив благополучно пересек горизонт без ущерба для себя и своей семьи — в полном соответствии с принципом эквивалентности.

Очевидно, мы имеем дело со столкновением принципов. Из квантовой механики вытекает, что все объекты над самым горизонтом встречают сверхгорячую область, где экстремальная температура превращает всю материю в разрозненные фотоны, которые потом уходят от черной дыры, подобно тому как свет уходит от Солнца. В итоге каждый бит информации, уносимый падающей материей, должен найти отражение в этих фотонах.

Но, похоже, принцип эквивалентности дает нам другую, противоположную версию этой истории.

Позвольте мне прервать пересказ лекции 1988 года, чтобы прояснить детали, которые были известны многим любителям физики, присутствовавшим в аудитории, но, возможно, не известны вам. Прежде всего, почему принцип эквивалентности дает изгнанникам уверенность в безопасности горизонта? Тут помогает мысленный эксперимент, который я упоминал в главе 2. Представьте себе жизнь в лифте, но в мире, где гравитация гораздо сильнее, чем на поверхности Земли. Если лифт неподвижен, пассажиры ощущают всю силу тяготения ступнями своих ног и всеми частями своих сдавленных тел. Допустим, лифт начинает подниматься. Направленное вверх ускорение делает ситуацию еще хуже. Согласно принципу эквивалентности, ускорение дает дополнительный вклад в испытываемую пассажирами силу тяжести.

Но что, если трос оборвется и лифт начнет ускоряться вниз? Тогда он вместе с пассажирами окажется в состоянии свободного падения. Воздействие гравитации и направленное вниз ускорение в точности компенсируют друг друга, и пассажиры не смогут сказать, что они находятся в мощном гравитационном поле, по крайней мере пока они не ударятся о землю и не испытают разрушительного действия направленного вверх ускорения.

Точно так же изгнанники на своей свободно падающей планете не должны чувствовать никакого влияния гравитации черной дыры вблизи горизонта. Они подобны свободно дрейфующим головастикам из главы 2, которые, не замечая того, проплывают мимо точки невозврата.

Второй момент — менее знакомый. Как я уже объяснял, хокинговская температура черной дыры чрезвычайно мала. Тогда почему же граф с императором регистрировали такую высокую температуру вблизи горизонта, когда опускали туда свой термометр? Чтобы это понять, нам надо знать, что происходит с фотоном, когда он вырывается из мощного гравитационного поля. Но давайте начнем с чего-то более знакомого — камня, брошенного вертикально вверх с поверхности Земли. Если его начальная скорость невелика, он упадет обратно на поверхность. Но если придать ему достаточную кинетическую энергию, камень вырвется из земного тяготения.

Однако даже если камню это удастся, у него останется гораздо меньше кинетической энергии, чем было на старте. Иными словами, начиная движение, камень обладает гораздо большей кинетической энергией, чем к тому моменту, когда он наконец покинет Землю.

Все фотоны движутся со скоростью света, но это не значит, что все они имеют одинаковую кинетическую энергию. На самом деле они во многом похожи на камень. Поднимаясь в гравитационном поле, они теряют энергию; чем сильнее гравитация, которую они преодолевают, тем больше энергии теряется. По мере удаления от горизонта запасы энергии гамма-излучения настолько истощаются, что оно превращается в очень малоэнергичную радиоволну. И наоборот, радиоволна, наблюдаемая вдали от черной дыры, должна была быть высокоэнергичным гамма-излучением, когда покидала горизонт.

Теперь рассмотрим графа и императора, находящихся высоко над черной дырой. Хокинговская температура столь мала, что радиочастотные фотоны имеют очень низкую энергию. Но, немного подумав, граф и император могут понять, что те же фотоны были сверхвысокоэнергичными гамма-квантами, когда они испускались вблизи горизонта. Но это то же самое, что сказать: там внизу намного горячее. Гравитация у горизонта черной дыры столь сильна, что фотонам требуется колоссальная энергия для ухода из этой области. При наблюдении издали черная дыра может быть очень холодной, но близко поднесенный термометр подвергается жестокой бомбардировке энергичными фотонами. Вот почему палачи были уверены, что их жертвы испарятся на горизонте.

Похоже на то, что мы пришли к противоречию. Один набор принципов — общая теория относительности и принцип эквивалентности — говорят, что информация в ненарушенном виде Попадает внутрь горизонта. Другой — квантовая механика — приводит нас к противоположному заключению: падающие биты, хотя и в страшно перепутанном виде, в конце концов возвращаются в форме фотонов и других частиц.

Тут вы может спросить: откуда мы знаем, что биты после падения сквозь горизонт, но до попадания в сингулярность не могут выйти обратно в виде хокинговского излучения? Ответ очевиден: чтобы сделать это, им потребовалось бы превысить скорость света.

Я продемонстрировал вам серьезный парадокс — и утверждаю, что он может иметь огромное значение для будущего физики. Но я не дал вам никакого намека на возможные пути решения этой дилеммы. Это потому, что я сам не знаю ее решения. Но у меня есть по этому вопросу предубеждение, и позвольте я расскажу, в чем оно заключается.

Я не верю, что мы откажемся от принципов квантовой механики или от тех, на которых строится общая теория относительности. В частности, я, как и Герард 'т Хоофт, верю в то, что при испарении черных дыр не происходит потери информации. Каким-то образом мы упускаем нечто очень важное относительно информации и того, как она локализуется в пространстве.

Эта лекция в Сан-Франциско была первой в большом ряду подобных лекций, которые я читал на физических факультетах и конференциях по меньшей мере на пяти континентах. Я решил, что, даже если я не могу разрешить эту загадку, я должен проповедовать ее важность.

Одну из таких лекций я помню особенно хорошо. Она состоялась в Техасском университете на одном из лучших физических факультетов в Соединенных Штатах. В аудитории было множество выдающихся физиков, таких как Стивен Вайнберг, Уилли Фишлер, Джо Полчински, Брайс Девитт и Клаудио Тейтельбойм, — все они внесли большой вклад в теорию гравитации. Меня очень интересовали их взгляды, так что в конце лекции я провел опрос аудитории. Если мне не изменяет память, Фишлер, Девитт и Тейтельбойм остались в меньшинстве, считая, что информация не теряется. Полчински был убежден аргументами Хокинга и проголосовал вместе с большинством. Вайнберг воздержался. В целом итог голосования был примерно три к одному в пользу Хокинга, однако значительная часть аудитории не захотела связывать себя с определенной позицией.

В период этой патовой ситуации наши со Стивеном пути несколько раз пересекались. Самая важная изо всех этих встреч состоялась в городе Аспене.

14 Схватка в Аспене

До лета 1964 года я никогда не видел холмов выше горы Минневаска (которая почти достигает километровой отметки) в Катскильских горах. Когда, будучи двадцатичетырехлетним аспирантом, я впервые увидел Аспен в Колорадо, он показался мне странным и волшебным горным королевством. Окружающие город высокие, покрытые снегом пики вызывают ощущение чего-то сверхъестественного и далекого от цивилизации, особенно в глазах городского мальчишки вроде меня. Уже став популярным лыжным курортом, Аспен все еще сохранял дух того колоритного периода конца девятнадцатого века, когда здесь добывали серебра Улицы были немощеные, a туристов в июне было так мало, что можно было разбить лагерь почти в любом месте в окрестностях города. В этом месте было полно довольно странных типов. В любом баре вы могли оказаться между настоящим американским ковбоем и грубым небритым шахтером или между грязным рыбаком и польским пастухом. Вы также могли затеять беседу с одним из представителей элиты американского бизнеса, или с концертмейстером берклевского студенческого оркестра, или с физиком-теоретиком.

На западной окраине города, между Аспен-Маунтин с юга и Ред-Маунтин с севера, расположилась группа невысоких зданий, окруженных большой стриженой лужайкой. Летними днями можно заметить, как десятки физиков, сидя за садовыми столиками, о чем-то спорят, что-то доказывают или просто радуются замечательной Погоде. В главном здании Аспеновского института теоретической физики смотреть особенно не на что, но сразу за ним, на открытом воздухе стоит затененная навесом доска. Именно здесь и происходит все самое интересное, когда некоторые величайшие мировые физики-теоретики встречаются на семинарах, чтобы обсудить свои самые свежие идеи.

В 1964 году я был в этом центре единственным студентом, причем, вероятно, за всю двухлетнюю тогда историю этого института. Но, по правде сказать, я оказался там не благодаря каким-то особым талантам в физике. С проходящего неподалеку континентального водораздела через город бежит речка Роуринг-Форк. Течение в ней быстрое и бурное, вода очень холодная, и, что самое важное, она полна серебра. Не металлического, с серебряных рудников, а живого серебра дикой радужной форели. Мой научный руководитель Питер удил на муху и, узнав, что я тоже этим занимаюсь, позвал на лето с собой в Аспен.

Когда я был мальчишкой, отец учил меня ловить форель на спокойных восточных реках, легендарных Биверкил-Ривер и Эзопус-Крик в Катскилле. Заводи там были совсем тихими, и в них можно было заходить по грудь. Часто видно было не только муху, но и коричневую форель, которая ее клюет. Однако на Роуринг-Форк в июне здравомыслящий рыбак стоял на берегу и делал все возможное, чтобы уследить, где находится его муха. Хотя мне понадобилось некоторое время, чтобы освоиться с этой техникой, я выловил в то лето много форелей и почти ничего не узнал о физике.

Сегодня я уже не так люблю Аспен. Ковбоев сменила элитная публика, и, на мой взгляд, лучше от этого не стала За прошедшие годы я несколько раз возвращался сюда ради физики, а не рыбалки. Однажды, около 1990 года, проезжая через город по пути в Боулдер, я остановился, чтобы прочитать лекцию.

К тому времени черные дыры и загадка о пропавшей информации вновь стали появляться на экранах радаров. Общее мнение склонялось в пользу того, что прав Хокинг, но некоторые (помимо меня и 'т Хоофта) ставили это под вопрос Среди них был неподражаемый Сидни Коулмен.

Сидни был колоритным персонажем и героем целого поколения физиков. С усами, впалыми глазами и длинными нечесаными волосами, он всегда напоминал мне Эйнштейна. У него был невероятно быстрый ум, а способность сразу ухватывать суть дела, особенно при обсуждении сложных и тонких вопросов, стала легендой. Сидни был добрым человеком, но он терпеть не мог дураков. Не один известный докладчик в Гарварде (где Сидни был заслуженным профессором) уходил, поджав хвост, после безжалостного допроса, устроенного Коулменом. В тот день в Аспене его присутствие означало, что докладчик должен держаться высочайших стандартов.

По чистой случайности в аудитории было еще одно знакомое лицо. Как только я вышел на семинарскую площадку во дворе и направился к доске, передо мной выкатилось знакомое высокотехнологичное кресло на колесах, и Стивен Хокинг занял место в первом ряду. Как все знали, моей целью было подорвать аргументы Стивена относительно утраты информации. Моя стратегия состояла в том, чтобы сначала обозначить природу проблемы, повторив умозаключения Стивена. На это планировалось потратить около половины выделенного мне часа. Затем я собирался объяснить, почему эти рассуждения не могут быть правильными. Но я также хотел кое-что добавить к рассуждениям Стивена, чтобы сделать его аргументы еще более убедительными. Ведь чем сильнее его позиция, тем вероятнее, что понадобится смена парадигмы, если в итоге доказать, что он ошибается.

В рассуждениях Стивена я хотел заполнить важный пробел, о котором, по-видимому, никто не задумывался. Вот в чем была идея. Представьте, что область над самым горизонтом заполнена множеством крошечных невидимых ксерокопировальных машин. Когда любая информация, письменный документ например, падает к горизонту, эти машины дублируют ее, порождая две совершенно идентичные копии. Одна из них продолжает без помех двигаться сквозь горизонт во внутренние области черной дыры и, в конце концов, уничтожается в сингулярности. Но судьба второй копии значительно сложнее. Для начала она тщательно перемешивается и перетасовывается вплоть до полной нераспознаваемости (без знания схемы перемешивания). А затем она испускается вовне в виде Кокинговского излучения.

Фотокопирование информации перед самым пересечением горизонта, казалось бы, решает проблему. Рассмотрим сначала наблюдателей, парящих в стороне от черной дыры. Они увидят, как хокинговское излучение возвращает каждый бит информации. И они придут к выводу, что нет надобности менять правила квантовой механики. Грубо говоря, они посчитают, что хокинговские идеи относительно разрушения информации ошибочны.

А что можно сказать о свободно падающем наблюдателе? Сразу после пересечения горизонта он оглянется по сторонам и увидит, что ничего не случилось. Все его биты при нем, составляют ту же личность и продолжают падать в окружении тех же предметов, что и раньше. Горизонт, с этой точки зрения, — это не более чем безобидная точка невозврата, так что эйнштейновский принцип эквивалентности полностью соблюдается.

Может ли быть так, что горизонт черной дыры покрыт идеально надежными миниатюрными (возможно, планковских размеров) копировальными устройствами? Это кажется соблазнительной идеей. Если она верна, то может легко и логично объяснить парадокс Стивена: никакая информация в черной дыре не теряется, и будущие физики могут продолжать использовать принципы квантовой механики. Квантовые ксероксы на горизонте каждой черной дыры могли бы неожиданно положить конец Битве при черной дыре.

Сидни был впечатлен. Он повернулся на своем стуле лицом к аудитории и, в своей характерной манере, объяснил сказанное гораздо более ясно, чем излагал я сам. Стивен, однако, ничего не сказал. Скрючившись, он сидел на своем кресле с широкой улыбкой на лице. Было очевидно, что я знаю нечто, неизвестное Сидни. На самом деле и я и Стивен понимали, что мое объяснение было соломенным чучелом, которое создавалось лишь для того, чтобы его сжечь.

Мы со Стивеном знали, что идеальные устройства копирования квантовой информации противоречат принципам квантовой механики. В мире, управляемом математическими правилами, сформулированными Гейзенбергом и Дираком, идеальная копировальная машина невозможна. Я назвал это утверждение принципом квантовой нексерокопируемости. В новой области физики, называемой квантовой теорией информации, эта же идея называется принципом неклонируемости.

Я торжествующе посмотрел на Коулмена и сказал: «Сидни, квантовый ксерокс невозможен», ожидая, что он немедленно меня поймет. Но в этот раз его огненно-быстрый мозг протормозил, и мне пришлось подробно все растолковывать. Объяснение, которое я дал Сидни и другим участникам семинара, заставило заполнить формулами всю доску и отняло почти все оставшееся время семинара. Вот его упрощенная версия.

Представьте себе машину с одним входом и двумя выходами. Во входной порт можно поместить любую систему в любом квантовом состоянии. Например, в копир можно загрузить электрон. Машина выполняет ввод и выдает два идентичных электрона. Причем объекты на выходах идентичны не только между собой, но и с тем, что первоначально был на входе.

На входе один электрон с определенной волновой функцией. На выходе два идентичных электрона

Квантовый ксерокс

Если бы такую машину можно было построить, она позволила бы обойти нерушимый принцип неопределенности Гейзенберга. Допустим, мы хотим узнать одновременно положение и скорость электрона. Все, что нам понадобится, — это скопировать его, а затем измерить положение одного клона и скорость другого. Но, конечно, такое невозможно в силу принципов квантовой механики.

К концу часа я успешно защитил парадокс Стивена и объяснил принцип нексерокопируемости, но у меня не осталось времени, чтобы изложить собственную точку зрения. И перед самым завершением семинара бестелесный механический голос Стивена провозгласил: «Так что теперь вы со мной согласны!» Его глаза озорно блестели.

Было очевидно, что я потерпел поражение. Я был повержен моим собственным дружественным огнем, недостатком времени и особенно быстрым остроумием Стивена. Покидая тем вечером Аспен, я задержался на Диффикалт-Крик и достал было свою нахлыстовую удочку. Однако моя любимая заводь оказалась полна шумных детей, плавающих на резиновой камере.