Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса

Определённо можно сказать, что Эверетт считал ответ на этот вопрос положительным. Основная часть чернового варианта его диссертации 1956 года, а также урезанная версия 1957 года была посвящена объяснению того, как инкорпорировать вероятность в многомировой подход. Но дебаты не прекращаются и спустя полвека. Среди физиков и философов, потративших всю жизнь в поисках ответа на этот вопрос, имеется широкий диапазон мнений насчёт того, где и как встречаются множественность миров и вероятность. Некоторые из них утверждают, что проблема нерешаема, поэтому от многомирового подхода следует отказаться. Другие считают, что вероятность, или по крайней мере нечто, что можно назвать вероятностью, действительно присутствует в этом подходе.

Исходный анализ Эверетта является хорошим примером возникающих трудностей. В повседневном опыте мы пользуемся вероятностью, потому что наши знания, как правило, неполны. Если, подбросив монетку, мы имеем достаточно сведений (точный размер монетки, её вес, то, как она была подброшена), то результат можно предсказать. Но поскольку обычно мы лишены такой информации, приходится обращаться к вероятности. Аналогичные рассуждения справедливы для прогнозирования погоды, лотереи и многих других привычных ситуаций, в которых вероятность играет роль: мы прибегаем к вероятностной оценке того или иного исхода только потому, что наши знания ограничены. Эверетт считал, что вероятность находит дорогу в многомировую интерпретацию, потому что присутствует аналогичная неизвестность, но она имеет совершенно иную природу. У населения миров есть доступ только к своему единственному миру; они никак не контактируют с другими мирами. Эверетт считал, что вероятность возникает благодаря этой ограниченности.

Чтобы понять, как это происходит, оставим ненадолго квантовую механику и рассмотрим несовершенную, но очень полезную аналогию. Представьте, что инопланетяне с планеты Закстар преуспели в строительстве клонирующей машины, способной делать копии вас, меня и кого угодно. Если вы зайдёте в клонирующую машину, то вас выйдет двое, и вы оба будете абсолютно уверены, что именно вы это настоящий вы, и оба будете правы. Закстарианцам нравится ставить перед менее разумными формами жизни экзистенциальные вопросы, поэтому они прилетели на Землю и сделали вам следующее предложение. Сегодня вечером, когда вы пойдёте спать, вас аккуратно переместят в клонирующую машину; через пять минут будут созданы две ваши копии. Когда один из вас проснётся, его жизнь будет течь в привычном русле — но вдобавок вам будет гарантировано исполнение любого желания. Когда же проснётся другой из вас, его жизнь превратится в кошмар; вы будете перемещены в пыточную камеру на Закстаре и никогда не вернётесь обратно. Кроме того, вашему счастливому клону не будет позволено пожелать освобождения. Примете такое предложение?

Ответ большинства людей — нет. Поскольку каждый клон — это действительно настоящий вы, в случае принятия такого предложения вам будет гарантировано, что кто-то из вас, проснувшись, будет обречён на пожизненные муки. Несомненно, будет и другой из вас, который, проснувшись, вернётся к привычной жизни, получив исполнение всех желаний, но для вас, оказавшегося на Закстаре, останутся только пытки. Цена этого слишком велика.

Понимая, что вы вряд ли согласитесь, закстарианцы поднимают ставки. Всё то же самое, но теперь они сделают миллион плюс одну копию вас. Миллион ваших копий просыпается у себя дома, имея возможность исполнения любого желания; но кто-то один попадает в закстарианскую камеру пыток. Согласны? В этот момент вы начинаете сомневаться. «Эх, — думаете вы, — шанс проснуться в своей постели и иметь всё, что захочешь, а не закончить свои дни на Закстаре, очень велик!»

Это последнее рассуждение особенно существенно для многомирового подхода. Если вы начинаете думать о вероятности, потому что представили, что лишь один из миллиона и одного вашего клона — это «настоящий» вы, то вы не полностью осознали суть этого сценария. Каждая копия и есть вы. Один из вас со 100-процентной определённостью проснётся в невыносимом будущем. Если именно поэтому вы начали думать в терминах вероятностей, то об этом следует забыть. Однако для того чтобы думать о вероятности, есть более тонкий способ. Представьте, что вы согласились с предложением закстарианцев и теперь размышляете о том, как это будет — проснуться завтра утром. Завернувшись в тёплое одеяло, только-только осознавая себя, но ещё не открывая глаз, вы вспоминаете предложение закстарианцев. На первый взгляд оно покажется почти реальным ночным кошмаром, но ощущая тяжёлые удары сердца, вы понимаете, что всё реально — что миллион и одна ваша копия сейчас просыпается, причём один из вас просыпается в закстарианской камере, а для всех остальных исполняются любые желания. «Каковы шансы, — нервно спрашиваете вы себя, — что открыв глаза, я окажусь на Закстаре?»

До клонирования не было смысла говорить о том, вероятно или маловероятно то, что вы окажетесь в закстарианской тюрьме — совершенно определённо будет «тот вы», кто точно окажется там, поэтому как такое может быть маловероятным? Но после клонирования ситуация видится иной. Каждый клон ощущает себя как настоящий вы; каждый из них это действительно настоящий вы. Но каждая копия всё равно является отдельной и самостоятельной личностью, которая может интересоваться своим будущим. Каждый из миллиона и одного клона может задаться вопросом, какова вероятность того, что он окажется на Закстаре. Поскольку каждый из них знает, что только один из миллиона и одного проснётся не там, где хочет, то каждый уже подсчитал, что шансы оказаться этим несчастным очень малы. При пробуждении миллион обнаружит, что их радостные ожидания сбылись, и только один поймёт, что нет. Так что хотя в закстарианском сценарии нет ничего неопределённого, ничего вероятностного, ничего случайного — опять же никаких бросаний игральных костей и крутящихся рулеток, — кажется, что вероятность всё-таки появляется. Это происходит в силу субъективного незнания каждым клоном в отдельности того, что именно с ним произойдёт.

Отсюда возникает способ ввести вероятности в многомировую интерпретацию. До того, как поставить эксперимент, вы есть ваше доклонированное существо. Вы оцениваете все возможные результаты, допустимые квантовой механикой, и знаете, что есть 100-процентная вероятность, что ваша копия увидит каждую из них. Пока нет ничего случайного. Затем вы проводите эксперимент. В этот момент, так же как в закстарианском сценарии, возникает понятие вероятности. Каждая ваша копия является независимым разумным существом, способным поинтересоваться, в каком мире ей достанется жить — то есть вероятностью того, что когда результаты эксперимента будут проявлены, она увидит тот или иной определённый результат. Вероятность возникает посредством субъективного опыта каждого клона.

Подход Эверетта, который он охарактеризовал как «объективно детерминированный» с вероятностью, «возникающей на субъективном уровне», согласуется с описанной выше картиной. Эверетт был очень воодушевлён таким ходом мыслей. Он отмечал в черновике своей диссертации 1956 года, что предлагаемый подход перекидывает мостик между позицией Эйнштейна (который, как известно, считал, что фундаментальная физическая теория не должна содержать вероятности) и позицией Бора (который был совершенно доволен своей квантовой механикой). Согласно Эверетту, многомировой подход сочетает в себе обе эти позиции и различие между ними зависит только от угла зрения. Точка зрения Эйнштейна опирается на математический аппарат, в котором единая волна вероятности всех частиц непреклонно распространяется согласно уравнению Шрёдингера, и случай здесь не играет никакой роли.[28] Мне нравится представлять Эйнштейна, парящего высоко над множеством миров многомирового подхода и наблюдающего, как уравнение Шрёдингера полностью определяет развёртывание всей панорамы, заключающего с удовлетворением, что даже если квантовая механика верна, всё равно Бог не играет в кости. А Бор со своей точки зрения видит, как обитатель одного из миров, не менее счастливый, с помощью вероятностей объясняет с невероятной точностью доступные ему наблюдения.

Это замечательное зрелище — Эйнштейн и Бор, достигшие согласия по поводу квантовой механики. Но есть досадные мелочи, которые за более чем половину столетия убедили многих, что победу праздновать рано. Те, кто изучил диссертацию Эверетта, в целом согласны, что хотя его подход совершенно ясен — это детерминированная теория, которая, тем не менее, для её обитателей видится вероятностной, — он не смог убедительно показать, как этого достичь. Например, в духе изложения главы 7, Эверетт пытался определить, что «типичный» обитатель одного из множества миров будет наблюдать в любом наперёд заданном эксперименте. Но (в отличие от главы 7, где изложение было сфокусировано на другом) в многомировом подходе те обитатели, с которыми мы должны вести дискуссию, все являются одной и той же личностью; если вы экспериментатор, то все они — это вы, и все они коллективно видят весь набор разных результатов. И тогда возникает вопрос: «типичный» вы — это кто?

Вдохновившись закстарианском сценарием, естественным предложением будет подсчитать число вас, которые видят заданный результат; тогда то, что видит большинство из вас, будет считаться «типичным». Или, более количественно, определим, что вероятность некоторого результата пропорциональна числу тех из вас, кто его наблюдает. Для простых примеров это работает: на рис. 8.16 мы видим, как один из вас наблюдает один из результатов эксперимента, поэтому вы ставите 50:50, что произойдёт один или другой результат. Это уже хорошо; обычное квантово-механическое предсказание также даёт 50:50, потому что высота волны вероятности в каждом из двух положений одинакова.

Однако рассмотрим более общую ситуацию, когда высота волны вероятности в разных точках различается (рис. 8.17). Если волна на Земляничных полях в сто раз больше, чем на мемориале Гранта, то квантовая механика предсказывает, что в сто раз вероятнее вы обнаружите электрон на Земляничных полях. Но в многомировом подходе при проведении измерения вы всё равно получите одного из вас, наблюдающего Земляничные поля, и другого, наблюдающего мемориал Гранта; таким образом, вероятность, основанная на подсчёте числа ваших клонов, остаётся равной 50:50 — неправильный ответ. Причина расхождения очевидна. Число ваших клонов, которые наблюдают тот или иной результат, определяется числом пиков волны вероятности. Однако квантово-механические вероятности определяются другим — не только числом пиков, но и их относительной высотой. И именно эти предсказания — квантово-механические предсказания — получили убедительное экспериментальное подтверждение.

Рис. 8.17. Общая волна вероятности, описывающая вас и ваш детектор, встречается с волной вероятности с многочисленными пиками разной величины

Эверетт разработал математический аппарат, который предназначался для объяснения этой нестыковки; впоследствии он был значительно доработан многими другими исследователями.{97} В общих чертах идея такова, что при вычислении вероятности наблюдения того или иного результата следует придавать всё уменьшающийся вес вселенным со всё уменьшающейся высотой волны, как символически показано на рис. 8.18. Но такой рецепт выглядит неубедительно. К тому же он неоднозначен. Является ли вселенная, в которой электрон находится на Земляничных полях, в каком-то смысле в сто раз более настоящей, или в сто раз более вероятной, или в сто раз более существенной, чем та, в которой электрон находится в мемориале Гранта? Такие рассуждения определённо подорвут веру в то, что каждый мир так же реален, как и все остальные.

Рис. 8.18а. Схематическое изображение эволюции, определяемой уравнением Шрёдингера, общей волны вероятности всех частиц, составляющих вас и ваш детектор, при измерении положения электрона. Волна вероятности самого электрона имеет пики в двух местах, но разной высоты

Рис. 8.18б. Некоторые полагают, что в многомировом подходе разная высота волны означает, что некоторые миры менее настоящие или менее существенные, чем другие. Как бы то ни было, существуют разные точки зрения насчёт того, что бы это значило

Спустя более чем пятьдесят лет, в течение которых выдающиеся учёные пересматривали, перепроверяли и развивали рассуждения Эверетта, многие согласятся, что проблема остаётся. Однако столь соблазнительно думать, что существует математически простой, предельно аскетичный и глубоко революционный многомировой подход, который даёт вероятностные предсказания, составляющие основу нашей веры в квантовую теорию. Благодаря этому возникло многих других идей насчёт совмещения вероятности с многомировой интерпретацией, которые выходят за рамки рассуждений закстарианского типа.{98}

Ведущей группой учёных из Оксфорда, среди которых был Дэвид Дойч, Саймон Саундерс, Дэвид Уоллес и Хилари Гривс, была выдвинута выдающаяся гипотеза. Они разработали хитроумный способ рассуждения, основанный на, казалось бы, глупом вопросе. Если вы игрок и верите в многомировой подход, то какова оптимальная стратегия заключения пари в квантово-механических экспериментах? Их ответ, подтверждённый математически, таков, что вы должны играть по правилам подхода Бора. Высчитывая максимальное увеличение дохода, эти авторы рассуждают таким образом, который поверг бы Бора в шок — они рассматривают среднее по многим обитателям мультивселенной, считающих, что они — это вы. Но даже при этом их вывод таков, что числа, которые Бор и все остальные вслед за ним вычисляли и называли вероятностями, являются теми самыми числами, которые должны подсказать вам, какие ставки делать. То есть даже если квантовая теория является полностью детерминированной, эти числа следует рассматривать, как если бы они были вероятностями.

Некоторые исследователи уверены, что этим программа Эверетта завершается. А некоторые — нет.

Отсутствие согласия по важнейшему вопросу — как трактовать вероятности в многомировом подходе — отнюдь не является неожиданным. Проводимые исследования в высшей степени сложны технически, и затрагиваемая тема — вероятность — весьма коварна даже при обычном применении, за рамками квантовой теории. Все согласятся, что при бросании игральной кости есть 1 шанс из 6, что выпадет тройка, поэтому мы предсказываем, что через, например, 1200 бросаний тройка выпадет примерно 200 раз. Но так как очень даже возможно и, на самом деле, очень вероятно, что число выпадений тройки отклонится от 200, то какой тогда смысл мы вкладываем в наше предсказание? Мы хотим сказать, что очень вероятно, что в 1/6 части выпадений будет тройка, однако, произнеся такие слова, мы определили вероятность выпадения тройки, привлекая понятие вероятности. Мы ходим по кругу. Эта ситуация лишь отчасти демонстрирует то, насколько концептуально размыта постановка обсуждаемых вопросов, даже если отвлечься от их внутренней математической сложности. А если добавить сюда многомировую идею, что понятие «вы» больше не относится к одной личности, то немудрено, что учёные тут же обнаружат миллион причин для спора. Я почти уверен, что однажды наступит полная ясность, но не сейчас, и, возможно, пройдёт ещё какое-то время.

Предсказание и понимание

Несмотря на все противоречия, сама по себе квантовая механика является не менее успешной, как и любая другая теория в истории физических идей. Как мы видели, причина этого в том, что для определённых типов экспериментов, которые можно поставить в лаборатории, а также для многих наблюдений астрофизических процессов, у нас есть «квантовый алгоритм», выдающий проверяемые предсказания. С помощью уравнения Шрёдингера вычислите эволюцию рассматриваемой волны вероятности и воспользуйтесь полученными результатами — различными высотами волны — для предсказания вероятности возникновения того или иного исхода. Что касается самих предсказаний, то почему этот алгоритм работает — схлопывается ли волна при измерении, реализуется ли каждая возможность в своей собственной вселенной, идёт ли при этом ещё какой-нибудь процесс — это совершенно вторично.

Некоторые физики утверждают, что даже называя этот вопрос вторичным, мы придаём ему больше веса, чем он заслуживает. По их мнению, роль физики состоит исключительно в том, чтобы делать предсказания, и если разные подходы не влияют на конечный ответ, то почему нас должно волновать, какой из них на самом деле правильный? Я приведу три причины.

Во-первых, кроме предсказаний физические теории должны быть математически непротиворечивы. Усилия Копенгагенской школы заслуживают только похвалы, но их метод не соответствует приведённому выше стандарту: в критический момент наблюдения метод прячется в кусты.{99} Такая брешь в подходе весьма существенна. Многомировой метод нацелен на преодоление этого недочёта.

Во-вторых, в некоторых ситуациях предсказания многомирового подхода дают отличный от предсказаний Копенгагенской школы результат. В копенгагенском подходе процесс схлопывания приведёт к пересмотру картинки на рис. 8.16а — будет один пик вместо двух. Так что если вы сможете заставить две волны, изображённые на этом рисунке, соответствующие макроскопически различным ситуациям, интерферировать, порождая узор, как на рис. 8.2в, это будет свидетельствовать о том, что копенгагенское схлопывание волны не произошло. Как обсуждалось ранее, по причине декогерентности достичь этого невероятно сложно, но, по крайней мере, теоретически копенгагенский и многомировой подходы приводят к различным предсказаниям.{100} Это важный и принципиальный момент. Копенгагенский и многомировой подходы часто считаются разными «интерпретациями» квантовой механики. Так говорить неправильно. Если два подхода могут привести к различным предсказаниям, то вы не можете называть их всего лишь интерпретациями. Конечно, вы можете. И многие так делают. Но эта терминология неверна.

В-третьих, физика — это не только способ делать предсказания. Если однажды мы найдём чёрный ящик, всегда аккуратно предсказывающий результаты наших экспериментов по физике частиц, а также астрономических наблюдений, то существование этого ящика не приведёт к окончанию исследований в этих областях. Есть разница между продуцированием и пониманием предсказаний. Прелесть физики, смысл её существования в том, что она предлагает понимание того, почему вещи во Вселенной ведут себя так, а не иначе. Способность предсказывать является существенной частью мощи физической науки, но сама её суть исчезнет, если она не приведёт нас к глубокому пониманию скрытой реальности, лежащей за нашими наблюдениями. И если многомировой подход верен, то насколько захватывающая реальность откроется благодаря нашему неистребимому стремлению к истолкованию предсказаний.

Я не жду, что на моём веку мы достигнем теоретического или экспериментального консенсуса относительно того, какой из вариантов реальности — одна вселенная, мультивселенная, или что-то совсем другое — реализуется в квантовой механике. Но я не сомневаюсь, что будущие поколения, оглянувшись назад, сочтут нашу работу в двадцатом и двадцать первом столетиях превосходным фундаментом для картины, которая, в конце концов, проявится.

Глава 9. Чёрные дыры и голограммы

Голографическая мультивселенная

Платон говорил, что наши взгляды на мир сродни взглядам древних предков, наблюдающих за пляшущими тенями на скудно освещённых стенах пещеры. Он утверждал, что наши ощущения — это не более чем слабое отражение гораздо более богатой реальности, проблёскивающей за пределами досягаемости. Похоже, что два тысячелетия спустя пещера Платона может стать чем-то бо́льшим, чем просто метафорой. Переворачивая с ног на голову его рассуждения, может оказаться, что реальный мир — а не просто его тень — живёт на удалённой граничной поверхности, в то время как всё, что мы видим в трёх привычных пространственных измерениях, это проекция происходящего где-то там далеко. Можно сказать, что реальность похожа на голограмму. Или, на самом деле, на голографическое кино.

Являясь, возможно, наиболее странной реализацией идеи о параллельных мирах, голографический принцип предполагает, что всё, что мы ощущаем, может быть полностью эквивалентным образом описано в виде нечто, происходящего на тонкой и удалённой поверхности. Он утверждает, что если было бы возможно понять законы, управляющие физикой на этой удалённой поверхности, и то, как происходящие там явления связаны с нашим опытом здесь, мы смогли бы полностью разобраться в окружающей действительности. Версия мира теней Платона — параллельное, но совершенно непривычное воплощение повседневных явлений — станет реальностью.

Для анализа этой весьма своеобразной возможности требуются глубокие и обширные знания — из общей теории относительности, теории чёрных дыр, термодинамики, квантовой механики, а также самые современные исследования по теории струн. Нитью, объединяющей эти несхожие области, является природа информации в квантовой вселенной.

Информация

Джон Уилер помимо способности находить и взращивать очень талантливых молодых учёных (помимо Хью Эверетта, его студентами были Ричард Фейнман, Кип Торн и, как мы вскоре увидим, Якоб Бекенштейн) обладал необъяснимой способностью ставить вопросы, изучение которых может изменить наши фундаментальные представления об устройстве природы. Однажды во время ланча в Принстоне в 1998 году я спросил его, что по его мнению будет доминантной темой в физике в последующие десятилетия. Он наклонил голову, как уже не раз делал в тот день, будто его стареющий скелет устал поддерживать такой могучий интеллект. Однако, теперь пауза затянулась, что заставило меня сомневаться, хочет ли он отвечать на мой вопрос или вообще забыл о нём. Но затем он медленно поднял свой взгляд на меня и промолвил одно единственное слово: «Информация».

Я не удивился. В течение некоторого времени он придерживался совершенно отличной точки зрения на физические законы по сравнению с тем, чему молодых физиков обучают в стандартных университетских курсах. Традиционно физика рассматривает объекты — планеты, камни, атомы, частицы, поля — и изучает силы, влияющие на их поведение и управляющие их взаимодействиями. Уилер полагал, что объекты — вещество и излучение — следует рассматривать как вторичные, как носителей более абстрактной и более фундаментальной сущности: информации. Уилер не утверждал, что вещество и излучение являются в том или ином смысле эфемерными; он считал, что их следует рассматривать как материальные проявления чего-то более фундаментального. Он считал, что информация — то, где частица находится, каков её спин, положителен её заряд или отрицателен, и так далее — образует цельное ядро в сердце реальности. То, что такая информация реализуется в реальных частицах, занимающих реальные положения, имеющие определённые спины и заряды, чем-то похоже на то, как рисунок архитектора воплощается в построенном небоскрёбе. Фундаментальная информация отражена в рисунке. Небоскрёб — это всего лишь реализация заложенной в проекте архитектора информации.

С этой точки зрения нашу вселенную можно рассматривать как информационный процессор. Он берёт информацию, касающуюся устройства вещей сейчас, и порождает информацию, характеризующую устройство вещей в следующем сейчас, и в последующем сейчас. Наши чувства улавливают этот процесс, замечая изменения окружающей среды во времени. Но окружающая среда сама является производной; она возникает из фундаментального ингредиента, информации, и развивается согласно фундаментальным правилам, законом природы.

Я не знаю, будет ли такая информационно-теоретическая установка доминировать в физике, как считал Уилер. Однако недавно, во многом благодаря работам физиков Герарда т’Хоофта и Леонарда Сасскинда, в сознании учёных произошёл сдвиг, вызванный изучением нетривиальных вопросов, касающихся поведения информации в одном особенном экзотическом контексте: в чёрных дырах.

Чёрные дыры

В течение года после публикации общей теории относительности немецкий астроном Карл Шварцшильд нашёл первое точное решение уравнений Эйнштейна, которое определяет форму пространства и времени в окрестности массивного сферического объекта, подобного звезде или планете. Замечательно не только то, что Шварцшильд нашёл своё решение, занимаясь вычислением траекторий артиллерийских снарядов на русском фронте во время Первой мировой войны, но также то, что он обыграл самого мастера игры — к тому моменту Эйнштейн нашёл лишь приближённые решения уравнений общей теории относительности. Эйнштейн был очень впечатлён и огласил достижения Шварцшильда, представив его работу перед Прусской академией наук; но даже он не смог увидеть то, что станет самым важным звеном наследия Шварцшильда.

Решение Шварцшильда показывает, что обычные тела, такие как Солнце и Земля, не сильно искривляют пространство, порождая очень мягкое давление на пространственно-временной батут, который в их отсутствие оставался бы плоским. Это хорошо соответствовало приближённым решениям Эйнштейна, которые ему удалось найти ранее. Но Шварцшильд смог выйти за рамки приближений. Его точное решение обладало поразительным свойством: если достаточное количество массы сжать до объёма небольшого шара, то возникнет гравитационная пропасть. Пространственно-временная кривизна станет настолько экстремальной, что всё, что отважится оказаться слишком близко, будет захвачено в ловушку. Поскольку это «всё» включает свет, такие области потемнеют и станут чёрными, что явилось причиной исходного термина «чёрные звёзды». Экстремальное искривление заставит замереть на краю звезды даже время: отсюда возник другой термин — «замёрзшие звёзды». Спустя полвека Уилер, который столь же хорошо умел рекламировать вещи, как и заниматься физикой, сделал популярными такие звёзды как среди научной общественности, так и у любителей науки, дав им более запоминающееся имя: «чёрные дыры». Название прижилось.

Когда Эйнштейн прочёл статью Шварцшильда, он согласился с математическими выкладками применительно к обычным звёздам и планетам. Однако выкладки насчёт того, что теперь называется чёрными дырами, Эйнштейн воспринял с улыбкой. В те времена даже Эйнштейну было трудно полностью разобраться в сложной математической структуре общей теории относительности. И хотя до появления современного понимания чёрных дыр оставалось несколько десятилетий, интенсивное сворачивание пространства и времени, уже в то время с очевидностью следовавшее из уравнений, было, по мнению Эйнштейна, слишком радикальным, чтобы быть правдой. Так же как спустя несколько лет он будет сопротивляться идее космического расширения, Эйнштейн отказывался верить, что такая экстремальная конфигурация вещества является чем-то бо́льшим, чем вышедшими из-под контроля математическими манипуляциями, хоть и вытекающими из его собственных уравнений.{101}

Когда вы видите числа, которые возникают из уравнений, и вы можете легко прийти к такому же выводу. Чтобы звезда с массой Солнца стала чёрной дырой, она должна сжаться до шара размером приблизительно три километра в поперечнике; тело с массой Земли станет чёрной дырой, только если сожмётся до шарика диаметром в один сантиметр. Идея о существовании таких экстремальных конфигураций вещества кажется просто смехотворной. Всё же за прошедшие десятилетия астрономы собрали многочисленные наблюдательные данные, свидетельства относительно того, что чёрные дыры существуют и их много. Широко признано, что в центре огромного количества галактик может находиться чёрная дыра; считается, что наша собственная галактика Млечный Путь вращается вокруг чёрной дыры, масса которой примерно равняется трём миллионам масс Солнца. Есть даже шанс, как обсуждалось в главе 4, что на Большом адронном коллайдере можно сгенерировать крошечные чёрные дыры посредством «утрамбовывания» массы (и энергии) протонов, сталкивающихся на очень высоких энергиях, в такой крохотный объём, что можно снова применить результаты Шварцшильда, хоть и на микроскопических расстояниях. Являясь выдающейся демонстрацией способности математики высветить самые тёмные уголки нашей Вселенной, чёрные дыры стали центром внимания современной физики.

Помимо того, что чёрные дыры — это находка для наблюдательной астрономии, они также стали богатым источником вдохновения в теоретических исследованиях, создавая математический плацдарм, на котором физики могут апробировать применимость своих идей, изучая с помощью бумаги и ручки одно из самых экстремальных явлений природы. Именно так получилось, когда в начале 1970-х годов Уилер осознал, что если почтенный Второй закон термодинамики — на протяжении примерно столетия являющийся указующим перстом для понимания взаимосвязи между энергией, работой и теплом — рассматривать применительно к окрестности чёрной дыры, то похоже, что он перестаёт работать. Свежий взгляд на этот вопрос Якоба Бекенштейна, студента Уилера, пришёл на выручку, посеяв при этом семена возникшего впоследствии голографического принципа.

Второй закон

Афоризм «лучше меньше, да лучше» имеет много форм. «Убрать всё лишнее». «Нужны только факты и ничего кроме фактов». «Меньше знаешь, крепче спишь». «Справок не даём!» Эти крылатые выражения настолько часто встречаются потому, что ежедневно, ежесекундно на нас сваливаются тонны информации. К счастью, в большинстве случаев наше восприятие отбрасывает ненужные подробности, оставляя лишь то, что действительно имеет значение. Если я нахожусь в саванне и вижу льва, меня не волнуют детали движения фотонов, отражающихся от его шкуры. Слишком много информации! Я хочу знать всего лишь некоторые общие свойства, те самые, которые воспринимают наши глаза и передают в мозг для обработки. Движется ли лев на меня? Он припал к земле и крадётся? Дайте мне посекундное описание движения каждого фотона, и, несомненно, я буду знать всё досконально. Но понимания от этого не прибавится. Действительно, меньше значительно лучше.

Аналогичные рассуждения играют центральную роль в теоретической физике. Иногда мы хотим знать каждую микроскопическую деталь системы, которую изучаем. В определённых местах вдоль 27-километрового туннеля Большого адронного коллайдера, в котором сталкиваются частицы, физики поместили громадные детекторы, способные отследить с невероятной точностью траектории порождаемых осколков частиц. Эти данные существенны для понимания фундаментальных законов физики частиц; они настолько подробные, что годичные наблюдения заполнят стопку DVD-дисков, в пятьдесят раз превышающую Эмпайр-стейт-билдинг. Подобно импровизированной встрече со львом, в физике есть другие ситуации, когда такой уровень подробности лишь затуманивает, а не проясняет. В разделе физики девятнадцатого столетия, называемом термодинамикой, или, в более современном варианте, статистической механикой, рассматриваются как раз такие системы. Паровой двигатель, технологическая инновация, положившая начало термодинамике — как и индустриальной революции — является прекрасной иллюстрацией.

Основу парового двигателя составляет бак с водяным паром, который расширяется при нагревании, двигая поршень вперёд, и сжимается при остывании, возвращая поршень в исходное положение, после чего он готов вновь выдвинуться вперёд. В конце девятнадцатого столетия и в начале двадцатого физики разработали молекулярное обоснование устройства материи, которое, помимо всего прочего, привело к микроскопическому описанию работы пара. При нагревании скорость молекул H₂O возрастает и убыстряются их удары о дно поршня. Чем более они разогреты, тем быстрее движутся и сильнее ударяют. Простое, но крайне важное для термодинамики наблюдение состоит в том, что для понимания давления пара не требуется знание подробностей того, какие именно молекулы имеют ту или иную скорость и где именно они ударили по дну поршня. Со списком миллиарда миллиардов траекторий молекул я буду выглядеть таким же озадаченным, как со списком отражающихся от львиной шкуры фотонов. Чтобы представить давление на поршень, мне надо знать только среднее количество молекул, которые ударяют о дно поршня за данный временной интервал, и среднюю скорость в момент столкновения. Эти данные достаточно приближённые, но полезна именно такая урезанная информация.

При разработке математических методов систематического пожертвования подробностями в пользу более общего понимания физики изобрели широкий диапазон методов и развили ряд глубоких понятий. Одно из таких понятий, с которым мы кратко познакомились в предыдущих главах — это энтропия. Энтропия изначально была введена в середине девятнадцатого столетия для количественного описания рассеяния энергии в двигателях внутреннего сгорания, но современная точка зрения, введённая Людвигом Больцманом в 1870-х годах, такова, что энтропия является характеристикой того, насколько тонко упорядочена — или нет — данная система, для того чтобы иметь такой вид, какой она имеет.

Чтобы прочувствовать это, представьте сценку, в которой некий парень, Феликс, в ярости кричит, что в их дом проникли воры. «У нас всё переворошили!» — в гневе говорит он своему другу Оскару. Оскар отмахивается — он знает, что у Феликса бывают приступы подозрительности. Чтобы успокоить Феликса, Оскар распахивает дверь в свою комнату, где валяется разбросанная повсюду одежда, остатки пиццы и пустые банки из-под пива. «Выглядит как обычно», — рявкает он. Феликс не обращает на это внимания. «Конечно же, она выглядит как обычно — свинарник и после вторжения остаётся свинарником. Но взгляни на мою комнату!» И он открывает свою дверь. «Всё переворошили...» — хмыкает Оскар. — «Да она чище, чем неразбавленный виски!» «Да, чище. Но вторжение не осталось незамеченным. Смотри, вот баночки с витаминами — теперь они не выстроены в порядке уменьшения размера баночек. А сборник сочинений Шекспира? Не в алфавитном порядке! А ящик для носков? Посмотри на это — чёрные носки вперемешку с синими! Я тебе говорю, у нас всё переворошили. Это совершенно очевидно!»

Если не обращать внимания на истерику Феликса, данная ситуация подчёркивает простой, но существенный момент. Если что-то находится в большом беспорядке, как комната Оскара, то при большом количестве всяких разных перестановок содержащихся в нём составных частей общий вид остаётся прежним. Соберите двадцать шесть мятых рубашек, валяющихся на кровати, на полу, в гардеробе, и снова разбросайте их повсюду, разбросайте заново сорок две пустые банки из-под пива — и квартира всё равно будет выглядеть по-прежнему. Но когда что-то очень сильно упорядочено, как квартира Феликса, даже небольшая перемена становится заметной.

Это различие лежит в основе математического определения энтропии, данного Больцманом. Возьмите любую систему и подсчитайте число способов, которыми её компоненты могут быть переставлены, сохраняя при этом общий макроскопический вид.[29] Если есть большое число таких перестановок, то энтропия высока: система находится в сильном беспорядке. Если число таких перестановок мало, энтропия низкая: система высоко упорядочена (или, эквивалентно, имеет малый беспорядок).

В качестве более привычного примера рассмотрим контейнер с паром и куб изо льда. Будем рассматривать только их совокупные макроскопические свойства, которые можно наблюдать или измерять, не зная при этом детального состояния составляющих их молекул. Если опустить и вынуть руку из пара, то вы перемешаете между собой миллиарды молекул H₂O, но при этом пар будет выглядеть столь же однородным, как и ранее. Но измените случайным образом положения и скорости многих молекул в куске льда, и результат вы увидите незамедлительно — кристаллическая структура льда будет разрушена. Появятся трещины и сколы. Пар, со случайно летающими по контейнеру молекулами H₂O, обладает высокой степенью беспорядка; лёд, молекулы H₂O которого расположены регулярным образом в кристаллической решётке, высоко упорядочен. Энтропия пара высока (много перестановок не приведут к изменению его вида); энтропия льда низкая (только небольшое количество перестановок не приведёт к изменению его вида).

Оценивая чувствительность макроскопического облика системы к её микроскопическому устройству, энтропия является естественным понятием в математическом формализме, который описывает совокупные физические свойства системы. Второй закон термодинамики развивает эту мысль количественным образом. Он устанавливает, что со временем полная энтропия системы будет возрастать.{102} Чтобы понять, почему так происходит, достаточно самых элементарных представлений о вероятности и статистике. По определению, конфигурация с высокой энтропией может реализоваться посредством большего числа микроскопических перестановок, чем конфигурация с меньшей энтропией. По мере эволюции системы она с огромной долей вероятности оказывается в состоянии с высокой энтропией, потому что, попросту говоря, таких состояний больше, чем остальных. Значительно больше. При выпекании хлеба вы чувствуете его запах по всему дому, потому что существует на триллионы больше конфигураций молекул, вылетающих из хлеба, таких, что они заполняют однородно весь дом, распространяя аромат свежевыпеченного хлеба, чем конфигураций, в которых молекулы плотно собираются в углу кухни. Случайные движения разогретых молекул почти наверняка будут направлены так, что молекулы сформируют одну из многочисленных распределённых по всему дому конфигураций, а не образуют одну из немногих скучкованных в углу конфигураций. Таким образом, набор молекул переходит от низкой энтропии к высокой, и в этом состоит действие Второго закона.

Эта идея универсальна. Бьющееся стекло, гаснущая свеча, расплывающиеся чернила, распространяющийся запах духов: это разные процессы, но их статистическое рассмотрение одинаково. В каждом из них порядок переходит в беспорядок, и это происходит потому, что есть масса способов создать беспорядок. Красота такого анализа — понимание этого вызвало моё самое восторженное «Вот это да!» в процессе моего физического образования — состоит в том, что не теряясь в микроскопических деталях, у нас есть ведущий принцип для объяснения, почему огромное количество явлений происходят так, а не иначе.

Следует отметить, что будучи по своей природе статистическим, Второй закон не утверждает, что энтропия не может уменьшиться, однако такое событие крайне маловероятно. Молекулы только что добавленного в чашку кофе молока могут, в результате своих случайных движений, объединиться в плавающую статуэтку Санта Клауса. Но не дождётесь. Плавающий Санта из молока имеет очень низкую энтропию. Если переместить несколько миллиардов молекул, вы увидите, что у Санты пропала голова или рука, или он растёкся в абстрактный белый завиток. По сравнению с этим конфигурация, в которой молекулы молока однородно распределены по чашке, имеет значительно более высокую энтропию: огромное число перегруппировок по-прежнему выглядит как обычный кофе с молоком. Тогда, с огромной долей вероятности добавленное в ваш чёрный кофе молоко придаст ему однородный коричневатый оттенок, в котором трудно будет разглядеть очертания Санты. Аналогичные рассуждения справедливы для огромного количества переходов от высокой к низкой энтропии, так что кажется, что Второй закон несокрушим.

Второй закон и чёрные дыры

Вернёмся теперь к взглядам Уилера на чёрные дыры. В начале 1970-х годов Уилер заметил, что когда чёрные дыры выплывают на сцену, Второй закон начинает сдавать свои позиции. По-видимому, наличие близлежащей чёрной дыры даёт готовый и надёжный способ уменьшить общую энтропию. Поместите в чёрную дыру любую изучаемую вами систему — битое стекло, потухшую свечку, расплывшиеся чернила. Так как ничего не может покинуть её пределы, беспорядок в системе окажется, по-видимому, навсегда исчезнувшим. Возможно, что такой подход несовершенен, но кажется, он легко понизит энтропию, окажись у вас под рукой чёрная дыра. Многие посчитали, что Второй закон столкнулся с достойным соперником.

Но студента Бекенштейна это не убедило. Возможно, предложил Бекенштейн, энтропия не пропадает в чёрной дыре, а просто каким-то образом в неё трансформируется. Кроме того, никто не утверждал, что поглощая пыль и звёзды, чёрные дыры приводят к нарушению Первого закона термодинамики, сохранению энергии. Наоборот, уравнения Эйнштейна показывают, что при поглощении вещества чёрная дыра становится больше и тяжелее. Энергия может перераспределиться, часть из неё упадёт в чёрную дыру, а часть останется снаружи, но общее количество сохранится. Может быть, предложил Бекенштейн, эта же идея применима и к энтропии. Часть энтропии остаётся снаружи чёрной дыры, а другая часть падает внутрь, но ничего не исчезает бесследно.

Это звучит разумно, но эксперты идею не одобрили. Найденное Шварцшильдом решение и последующие разработки говорят, по всей видимости, о том, что чёрные дыры — это последнее слово в стане порядка. Каким бы перемешанным и неупорядоченным не было падающее внутрь вещество и излучение, оно сжимается в бесконечно малый объём в центре чёрной дыры: чёрная дыра — это окончательный этап в упорядоченном сжатии мусора. По правде говоря, никто не знает, что происходит во время такого мощного сжатия, потому что экстремальная кривизна и плотность делают уравнения Эйнштейна непригодными; однако совсем не кажется, что в центре чёрной дыры может быть какой-то беспорядок. А за пределами своего центра чёрная дыра — просто пустая область пространства-времени, простирающаяся до границы невозврата — горизонта событий (рис. 9.1): Нет никаких снующих туда-сюда молекул и атомов, поэтому перегруппировываться нечему; кажется, что чёрная дыра вообще лишена энтропии.

Рис. 9.1. Чёрная дыра вмещает область пространства-времени, окружённую поверхностью невозврата — горизонтом событий

В 1970-х годах такая точка зрения была подкреплена так называемыми теоремами об отсутствии волос, которые на математическом языке утверждают, что чёрным дырам (подобно лысым фантомасам) недостаёт отличительных характеристик. Согласно этим теоремам любые две чёрные дыры, обладающие одинаковыми массами, зарядами и угловыми моментами (скоростью вращения), неразличимы. В отсутствие характерных отличительных черт — у фантомасов также нет чёлок, усов или дрэдов — чёрные дыры не имеют различий, в которых могла быть запасена энтропия.

Это был вполне убедительный аргумент сам по себе, но затем появилось ещё более убийственное рассуждение, которое, как казалось, полностью сводило на нет идею Бекенштейна. Согласно основным положениям термодинамики между температурой и энтропией есть тесная связь. Температура — это мера усреднённого движения составных частей данного объекта: компоненты разогретых объектов движутся быстро, компоненты холодных объектов движутся медленно. Энтропия является мерой возможных перегруппировок этих компонентов, которые с макроскопической точки зрения останутся незамеченными. Таким образом, как энтропия, так и температура зависят от совокупных свойств рассматриваемого объекта; они идут рука об руку. Если рассмотреть вопрос математически, то станет ясно, что если Бекенштейн прав и чёрные дыры обладают энтропией, то у них должна быть температура.{103} Именно это и вызвало тревогу. Любой объект с ненулевой температурой должен излучать. Горячий уголь излучает видимый свет; люди, как правило, излучают в инфракрасном диапазоне. Если чёрная дыра обладает ненулевой температурой, то сами законы термодинамики, которые Бекенштейн хотел сохранить, говорят, что она тоже должна излучать. Но это вопиющим образом противоречит принятому пониманию, что ничего не может вырваться из гравитационной хватки чёрной дыры. Почти все решили, что Бекенштейн ошибается. У чёрных дыр нет температуры. У них нет энтропии. Чёрные дыры — это сточная воронка для энтропии. В присутствии чёрных дыр нарушается Второй закон термодинамики.

Несмотря на многочисленные аргументы против, в пользу Бекенштейна говорил один замечательный результат. В 1971 году Стивен Хокинг осознал, что чёрные дыры подчиняются занятному правилу. Если имеется набор чёрных дыр разных размеров и масс, и при этом некоторые размеренно вальсируют по орбитам, другие подкрепляются веществом и излучением, а остальные сталкиваются друг с другом, то полная площадь поверхности всех чёрных дыр со временем возрастает. Под «площадью поверхности» Хокинг подразумевал площадь горизонта событий каждой чёрной дыры. В физике есть много результатов насчёт того, что какие-то величины не изменяются во времени (закон сохранения энергии и импульса, сохранение заряда и так далее), но также имеется небольшое число соотношений, которые диктуют рост величин. Поэтому естественно рассмотреть возможную связь между результатом Хокинга и Вторым законом. Если считать, что каким-то образом площадь поверхности чёрной дыры является мерой её энтропии, то возрастание площади полной поверхности может рассматриваться как рост полной энтропии.

Это была очень привлекательная аналогия, но никто не счёл её убедительной. Почти все считали, что сходство теоремы Хокинга о площади со Вторым законом не более чем случайность. Это положение сохранялось до того момента, пока несколько лет спустя Хокинг не сделал одно из самых важных вычислений в современной теоретической физике.

Излучение Хокинга

Поскольку квантовая механика не играет никакой роли в общей теории относительности Эйнштейна, решение Шварцшильда для чёрных дыр основывается исключительно на классической физике. Однако надлежащее рассмотрение вещества и излучения — таких частиц, как фотоны, нейтрино и электроны, которые могут переносить массу, энергию и энтропию из одного места в другое — требует привлечения квантовой механики. Чтобы в полной мере оценить природу чёрных дыр и разобраться, как они взаимодействуют с веществом и излучением, необходимо продлить решение Шварцшильда в квантовую область. Это нелегко. Несмотря на достижения теории струн (а также других подходов, которых мы не коснулись, таких как петлевая квантовая гравитация, твисторы, теория топосов), мы по-прежнему находимся на начальном уровне в наших попытках совместить квантовую физику и теорию гравитации. А в далёких 1970-х было ещё меньше теоретических оснований для понимания того, как квантовая механика может влиять на гравитацию.

Однако были физики, которые работали в этом направлении и которым удалось добиться частичного объединения квантовой механики и общей теории относительности, рассмотрев распространение квантовых полей (квантовая часть) в фиксированной, но искривлённой пространственно-временной среде (гравитационная часть). Как было указано в главе 4, полное объединение должно, как минимум, содержать рассмотрение не только квантовых флуктуаций полей на пространстве-времени, но также квантовых флуктуаций самого пространства-времени. Простоты ради это усложнение не учитывалось в первых работах. Хокинг воспользовался частичным объединением и рассмотрел, как квантовые поля будут вести себя в очень особой области пространства-времени — в окрестности чёрной дыры. То, что он обнаружил, поразило физиков до глубины души.

Хорошо известное свойство квантовых полей в обычном, пустом, неискривлённом пространстве-времени состоит в том, что из-за квантовых флуктуаций парам частиц, например электрону и его античастице, позитрону, позволяется мгновенно возникнуть из ничего, немножко пожить, после чего столкнуться друг с другом, и в результате взаимно аннигилировать. Этот процесс, квантовое рождение пары, интенсивно изучался как теоретически, так и экспериментально, и был разобран со всех сторон.

Новой характеристикой квантового рождения пары является то, что если один партнёр имеет положительную энергию, то из закона сохранения энергии следует, что другой партнёр должен обладать тем же количеством отрицательной энергии — понятие, которое не имеет смысла в классической вселенной.[30] Однако, благодаря принципу неопределённости имеется своеобразная лазейка, позволяющая частицам иметь отрицательную энергию, при условии, что возникнув, они не сильно долго будут злоупотреблять гостеприимством. Если частица существует лишь мимолётно, то квантовая неопределённость говорит, что никакому эксперименту не хватит времени, даже в принципе, определить знак её энергии. Именно такова основная причина, почему пара частиц обречена квантовыми законами на быструю аннигиляцию. Поэтому при квантовых флуктуациях пары частиц беспрестанно рождаются и аннигилируют, рождаются и аннигилируют, на фоне неизбежной непрекращающейся игры квантовой неопределённости в пространстве, которое иначе оставалось бы пустым.

Хокинг заново рассмотрел вездесущие квантовые флуктуации, но не в пустом пространстве, а вблизи горизонта событий чёрной дыры. Он обнаружил, что часто всё выглядит как обычно. Пары частиц образуются случайным образом; быстро находят друг друга; после чего аннигилируют. Но время от времени происходит нечто новое. Если частицы образуются достаточно близко к краю чёрной дыры, то одну из них может затянуть внутрь, а другая улетит в пространство. В отсутствии чёрной дыры такого никогда не происходит, потому что, если частицы не аннигилируют друг с другом, то частица с отрицательной энергией сможет пробиться сквозь защитную рябь квантовой неопределённости. Хокинг осознал, что столь радикальное закручивание пространства и времени чёрной дырой может привести к тому, что частицы, обладающие отрицательной энергией с точки зрения наблюдателя снаружи чёрной дыры, окажутся частицами с положительной энергией для несчастного наблюдателя внутри неё. Таким образом, чёрная дыра предоставляет частицам с отрицательной энергией надёжное убежище, поэтому нужда в квантовой маскировке отпадает. Возникшие частицы могут избежать взаимной аннигиляции и заявить о своей независимой жизни.{104}

Частицы с положительной энергией летят наружу от горизонта событий, поэтому издалека они выглядят как некое излучение, получившее название излучение Хокинга. Частицы с отрицательной энергией поглощаются чёрной дырой, поэтому их нельзя непосредственно наблюдать, однако их можно обнаружить косвенным способом. Подобно тому как масса чёрной дыры растёт при поглощении всего, что обладает положительной энергией, она также уменьшается при поглощении всего, что имеет отрицательную энергию. Эти два процесса в совокупности делают чёрную дыру похожей на кусок горящего угля: чёрная дыра беспрестанно излучает направленный наружу поток излучения по мере того как её масса уменьшается.{105} То есть, если добавить квантовую механику, то чёрные дыры перестают быть абсолютно чёрными. Открытие Хокинга было как гром среди ясного неба.

Однако это вовсе не означает, что типичная чёрная дыра нагрета до красного свечения. По мере того как поток частицы летит от чёрной дыры, он должен преодолевать невероятное сопротивление со стороны её гравитационного притяжения. На это частицы тратят свою энергию и поэтому значительно остывают. Хокинг вычислил, что наблюдатель, находящийся достаточно далеко от чёрной дыры, обнаружит, что температура остаточного «утомлённого» излучения обратно пропорциональна массе чёрной дыры. Огромная чёрная дыра, подобная находящейся в центре нашей Галактики, имеет температуру менее триллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Чёрная дыра с массой Солнца будет иметь температуру меньше чем миллионная доля градуса, даже меньше, чем температура в 2,7 градуса реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Чтобы температура чёрной дыры была достаточно высока, чтобы приготовить барбекю для всей семьи, её масса должна быть примерно в десять тысяч раз больше массы Земли, а это экстраординарно малая величина в космических масштабах.

Однако само значение температуры чёрной дыры не столь важно. Хотя излучение, идущее от удалённых астрофизических чёрных дыр, не сможет осветить ночное небо, тот факт, что они действительно имеют температуру, что они действительно излучают, означает, что эксперты поспешили отбросить гипотезу Бекенштейна о том, что чёрные дыры действительно обладают энтропией. Хокинг великолепно справился с этой задачей. Его теоретические вычисления, определяющие температуру данной чёрной дыры и испускаемого ею излучения, дали все необходимые данные для определения количества энтропии, которую, согласно стандартным законам термодинамики, должна иметь чёрная дыра. Полученный ответ оказался пропорционален площади поверхности чёрной дыры, как и предполагал Бекенштейн.

Итак, к концу 1974 года Второй закон вновь стал законом. Открытия Бекенштейна и Хокинга выявили, что в любой ситуации полная энтропия возрастает, если при этом учитывать не только энтропию обычного вещества и излучения, но также и находящуюся внутри чёрных дыр и определяемую площадью их полной поверхности. Вместо того чтобы быть стоком для энтропии и приводить к нарушению Второго закона, чёрные дыры играют активную роль в исполнении этого закона во вселенной с постоянно увеличивающимся беспорядком.

Это заключение вызвало долгожданное облегчение. Для многих физиков Второй закон, основанный на казалось бы неоспоримых статистических рассуждениях, стал священным как практически никакой другой в науке. Его воскрешение означало, что с этим миром опять всё в порядке. Но со временем появилась небольшая, но первостепенно важная запись в бухгалтерской книге энтропии, которая показала, что вопрос о справедливости Второго закона не является самым приоритетным. Эта честь досталась задаче о месте хранения энтропии, задаче, важность которой станет очевидной, когда мы выявим глубокую связь между энтропией и центральной темой этой главы — информацией.

Энтропия и скрытая информация

До настоящего момента энтропия образно описывалась как мера беспорядка, и более количественно, как число перегруппировок компонент системы, не меняющих её совокупных макроскопических свойств. Выше это прозвучало неявно, но теперь можно сказать определённо, что энтропию можно осмыслить как измерение информационного разрыва между теми данными, которые у нас есть (общими макроскопическими свойствами), и теми данными, которых нет (конкретным устройством системы на микроскопическом уровне). Энтропия является мерой дополнительной информации, скрытой в деталях микроскопического устройства системы, которые, будь к ним доступ, позволили бы выделить эту микроуровневую конфигурацию системы на фоне всех макропроявлений.

В качестве иллюстрации представим, что Оскар навёл порядок в своей комнате, но не хватило времени убрать серебряные доллары, выигранные им в покер на прошлой неделе — тысяча монет так и осталась лежать разбросанной по полу. Даже если Оскар соберёт их потом в кучку, его взгляду предстанет хаотичный набор монет, часть из которых лежит вверх решкой, а часть вверх орлом. Если случайным образом поменять орлы на решки, а решки на орлы, то Оскар ничего не заметит — это свидетельствует о том, что тысяча собранных в кучку серебряных долларов обладает высокой энтропией. Этот пример настолько простой, что энтропию можно явно подсчитать. Для двух монет имеются четыре возможные конфигурации: (орёл, орёл), (орёл, решка), (решка, орёл), и (решка, решка) — две возможности для первого доллара умножаются на две для второго. Для трёх монет есть восемь возможных конфигураций — (орёл, орёл, орёл), (орёл, орёл, решка), (орёл, решка, орёл), (решка, орёл, орёл), (орёл, решка, решка), (решка, орёл, решка), (решка, решка, орёл), (решка, решка, решка) — возникающих из двух возможностей для первой монеты, помноженных на две для второй и помноженных на две для третьей. Для тысячи монет число возможностей вычисляется аналогично: множитель 2 для каждой монеты, и получаем число 21000, равное 10715086071862673209484250490600018105614048117055336074437503883703510511249361224931983788156958581275946729175531468251871452856923140435984577574698574803934567774824230985421074605062371141877954182153046474983581941267398767559165543946077062914571196477686542167660429831652624386837205668069376. Подавляющее большинство конфигураций орёл-решка не будут обладать особыми свойствами, поэтому они никак не будут выделены среди прочих. Однако некоторые будут выделены, если, скажем, все 1000 монет будут лежать кверху орлом или решкой, или если 999 монет будут лежать кверху орлом, или 999 кверху решкой. Но число таких необычных конфигураций настолько мало по сравнению с гигантским числом всех возможностей, что исключив их из подсчёта, вы вряд ли обнаружите какую-то разницу.[31]

Из нашей предыдущих обсуждений следует, что число 21000 задаёт энтропию монет. Для определённых целей этот вывод вполне достаточен. Однако для установления более глубокой связи между энтропией и информацией необходимо уточнить картину, описанную выше. Энтропия системы связана с числом неразличимых перегруппировок её компонентов, но, строго говоря, не равна ему. Эта взаимосвязь выражается с помощью математической операции, называемой логарифмом; не пугайтесь, если логарифм навевает дурные воспоминания о школьных уроках математики. В нашем примере с монетами это просто означает, что в качестве энтропии надо взять показатель полученного нами числа конфигураций, то есть энтропия определяется как 1000, а не 21000.

Преимущество использования логарифма в том, что он позволяет работать с более обозримыми числами, но есть и более важная причина. Представьте, что я спрашиваю вас, сколько информации вам понадобится для описания одной частной конфигурации орёл-решка в наборе из 1000 монет. Простейший ответ состоит в составлении списка — орёл, орёл, решка, орёл, решка, решка..., который описывает расположение каждой из 1000 монет. Конечно же, отвечу я, это даст мне полную информацию об этой конфигурации, но вопрос состоял не в этом. Я спрашивал, сколько информации содержится в этом списке.

Тут вы начнёте раздумывать. Чем на самом деле является информация и для чего она нужна? Вы даёте прямой и простой ответ. Информация отвечает на вопросы. Годы исследований по физике, математике и компьютерным технологиям сделали этот ответ точным. Эти исследования установили, что наиболее полезная мера содержания информации — это число различных «да или нет» вопросов, на которые у этой информации есть ответ. В примере с монетами есть 1000 таких вопросов: орёл у первого доллара? Да. Орёл для второго доллара? Да. Орёл для третьего доллара? Нет. Орёл для четвёртого доллара? Нет. И так далее. Элемент данных, который может содержать ответ на «да или нет» вопрос, называется битом — привычный для компьютерного века термин, являющийся сокращением от английского выражения binary digit, двоичный символ, означающий 0 или 1, о котором можно думать как о численном представлении ответов да или нет. Таким образом, конфигурации орёл-решка из 1000 монет содержат 1000 бит информации. Эквивалентным образом, если вы встанете на макроскопическую точку зрения Оскара и сосредоточитесь только на случайном расположении всех монет в целом, не обращая внимания на «микроскопические» детали орёл или решка, то информация, «скрытая» в этих монетах, составляет 1000 бит.

Отметим, что значение энтропии и количество скрытой информации равны. И это не случайно. Число возможных выпадений орёл-решка равно числу возможных ответов на 1000 вопросов — (да, да, нет, нет, да...) или (да, нет, да, да, нет...) или (нет, да, нет, нет, нет...) и так далее, а именно 21000. При определении энтропии как логарифма числа таких конфигураций — 1000 в нашем случае — энтропия равна числу «да или нет» вопросов для любой из таких последовательностей ответов.

Мы рассмотрели частный пример с 1000 монетами, но установленная связь между энтропией и информацией имеет совершенно общий характер. Микроскопические детали любой системы содержат информацию, которая скрыта только при рассмотрении макроскопических, совокупных свойств. Например, вы знаете температуру, давление и объём контейнера с паром, но известно ли вам, ударялась ли молекула H₂O о верхний правый угол этого контейнера? А может быть другая молекула только что ударилась о нижний левый край? Так же как с разбросанными монетами, энтропия системы равна числу «да или нет» вопросов, ответы на которые содержатся в её микроскопическом состоянии, и поэтому энтропия является мерой, скрытой в системе информации.{106}

Энтропия, скрытая информация и чёрные дыры

Каким образом данное выше определение энтропии и его взаимосвязь со скрытой информацией применяется к чёрным дырам? Когда Хокинг разработал детальное квантово-механическое обоснование, связывающее энтропию чёрной дыры с площадью её горизонта событий, он не только дал количественное описание исходного утверждения Бекенштейна, но также создал алгоритм для его вычисления. Возьмите горизонт событий чёрной дыры, говорит Хокинг, и разбейте его на решётку, в которой сторона каждой клетки равна одной планковской длине (10−33 сантиметра). Хокинг математически доказал, что энтропия чёрной дыры равна числу таких клеток, которым покрывается весь горизонт событий — иными словами, это площадь поверхности чёрной дыры, измеренная в планковских единицах (клетки площадью 10−66 квадратного сантиметра). На языке скрытой информации всё выглядит так, как будто каждая клетка тайным образом несёт один бит, 0 или 1, что даёт ответ на один «да или нет» вопрос, описывающий какую-то характеристику чёрной дыры на микроскопическом уровне (рис. 9.2).{107}

Рис. 9.2. Стивен Хокинг математически показал, что энтропия чёрной дыры равна числу клеток планковского размера, необходимых для покрытия её горизонта событий. Как будто каждая клетка несёт один бит, базовую единицу информации

Общая теория относительности Эйнштейна, а также теоремы об отсутствии волос у чёрных дыр, не учитывают квантово-механические эффекты и поэтому полностью теряют эту информацию. Задайте массу чёрной дыры, её заряд и угловой момент, говорит общая теория относительности, и вы однозначным образом определите чёрную дыру. Однако Бекенштейн и Хокинг утверждают, что это не так. Они установили, что должно существовать много разных чёрных дыр с одинаковыми макроскопическими свойствами, которые, тем не менее, отличаются на микроскопическом уровне. Как и в более привычных примерах — про монеты на полу или пар в контейнере — энтропия чёрных дыр отражает информацию, скрытую в более мелких деталях.

Не менее неординарные, чем сами чёрные дыры, эти открытия установили, что в вопросе об энтропии чёрные дыры ничем не отличаются от всего остального. Однако полученные результаты привели к новым вопросам. Хотя Бекенштейн и Хокинг говорят нам, сколько информации скрыто в чёрной дыре, нам ничего не известно о том, что это за информация. Неизвестно, на какие специфические «да или нет» вопросы отвечает эта информация, не установлен состав микроскопических компонент, которые эта информация предназначена описывать. Математический анализ точно определил величину информации данной чёрной дыры, ничего не сообщив о природе этой информации.{108}

Эти вопросы до сих пор ставят в тупик. Но есть и другая загадка, которая видится ещё более важной: почему количество информации определяется площадью поверхности чёрной дыры? Если бы вы спросили меня, сколько информации содержится в библиотеке Конгресса, я стал бы говорить о доступном пространстве внутри здания библиотеки. Потребовалось бы знать вместимость залов библиотеки, необходимых для размещения полок, картотек, микрофишей, фотографий и документов. То же самое справедливо для информации внутри моей головы, объём которой, по-видимому, привязан к объёму головного мозга, доступному пространству для нейронных связей. То же самое имеет место для информации в контейнере с паром, которая содержится в свойствах заполняющих контейнер частиц. Однако удивительно, что применительно к чёрным дырам способность для хранения информации определяется, согласно Бекенштейну и Хокингу, не объёмом, а площадью поверхности.

До появления этих результатов физики считали, что поскольку планковская длина (10−33 сантиметра) является, по-видимому, наименьшей длиной, для которой понятие «расстояния» всё ещё имеет смысл, то наименьшим осмысленным объёмом будет крошечный кубик, грани которого имеют планковскую длину (объём кубика равен 10−99 кубического сантиметра). Разумная гипотеза, которой придерживались многие, была такова, что независимо от будущих технологических прорывов наименьший объём может хранить не более одной наименьшей единицы информации — одного бита. Поэтому ожидалось, что максимальное количество информации, которое может содержаться в данной области пространства, равно числу планковских кубиков, способных поместиться внутри этой области. Поэтому присутствие планковской длины в результате Хокинга не было неожиданным. Удивительно то, что хранилище информации чёрной дыры определяется не заполняющим её объём числом планковских кубиков, а числом покрывающих поверхность чёрной дыры планковских клеток.

Так впервые возникло указание на голографию — вместимость информационного хранилища определяется площадью граничной поверхности, а не объёмом находящегося внутри неё пространства. Через три десятилетия из этого указания прорастёт потрясающе новый взгляд на законы физики.

Где находится скрытая информация чёрной дыры

Планковская шахматная доска с нулями и единицами, разбросанными по поверхности горизонта событий (рис. 9.2), является символической иллюстрацией результата Хокинга о количестве информации, хранящейся внутри чёрной дыры. Однако можем ли мы буквально воспринимать этот рисунок? Если математика говорит, что информационный запас чёрной дыры измеряется площадью её поверхности, то является ли это просто средством численного подсчёта, или же это означает, что поверхность чёрной дыры и есть место фактического хранения информации?

Этот глубокий вопрос десятилетиями изучался самыми знаменитыми физиками.[32] Ответ на него в сильной степени зависит от того, смотрите вы на чёрную дыру снаружи или изнутри — если снаружи, то есть веская причина полагать, что информация действительно находится на горизонте.

Любому, кто знаком с подробностями описания чёрных дыр в общей теории относительности, данное замечание покажется весьма странным. Общая теория относительности со всей ясностью говорит, что при падении сквозь горизонт событий чёрной дыры ничего особенного не происходит — нет никакой материальной поверхности, никаких указателей, никаких сигнальных огней — ничего, что каким бы то ни было образом отметило пересечение вами границы невозврата. Это следствие одного из самых простых, но, тем не менее, самых важных достижений Эйнштейна. Эйнштейн осознал, что когда вы (или любой объект) находитесь в состоянии свободного падения, вы становитесь невесомым; спрыгните с высокого трамплина, и весы, привязанные к вашим ногам, будут падать с вами, показывая ноль. По сути, вы избавляетесь от гравитации, позволив ей действовать в полную силу. Из этого Эйнштейн делает немедленный вывод. Основываясь на ваших ощущениях в непосредственно окружающей вас среде, вы не сможете отличить свободного падения на массивный объект от свободного парения в глубинах пустого пространства: в обеих ситуациях вы абсолютно невесомы. Конечно, если вы откроете глаза и увидите, скажем, быстро приближающуюся поверхность земли, лучшим решением будет побыстрее дёрнуть за кольцо парашюта. Но если вы оказались заключённым в маленькую капсулу без окон, вы никак не сможете отличить свободное падение от свободного плавания.{109}

В первые годы двадцатого столетия Эйнштейн ухватился за эту простую, но глубокую взаимосвязь между движением и гравитацией; спустя десять лет работы он оформил её в виде общей теории относительности. Мы используем эту взаимосвязь более скромным образом. Предположим, что вы находитесь в этой капсуле и свободно падаете не на Землю, а в чёрную дыру. Ровно такие же рассуждения говорят, что ваши чувства не смогут отличить падение от плавания в пустом пространстве. Это означает, что не будет происходить ничего особого или необычного, пока вы свободно падаете сквозь горизонт чёрной дыры. В конце концов, вы ударитесь о центр чёрной дыры, свободное падение прекратится и здесь ваши чувства, несомненно, это зафиксируют. Причём мало не покажется. Но до этого момента вам будет казаться, что вы бесцельно блуждаете в мрачных глубинах космоса.